A Simple Model for Hardness and Residual Stress Profiles Prediction for Low-Alloy Nitrided Steel, Based on Nitriding-Induced Tempering Effects* Translated title: Einfaches Modell zur Bestimmung von Härte- und Eigenspannungsprofilen für niedriglegierte Nitrierstähle auf Grundlage von nitridinduzierten Anlasswirkungen

Abstract

Nitriding of low-alloy steels is widely used for gears and bearings in aerospace industry. Some highly stressed surfaces require high nitrided depth, which involves long time/high temperature nitriding treatment. This study focused on identifying process parameter effects on hardness and residual stress profiles in a large range of nitriding time and temperature. We demonstrate that core and case can be considered as two materials, softening of which can be predicted by two tempering laws. In addition, a basic relationship was derived from the nitriding depth and a pseudo-diffusion coefficient, allowing prediction of the hardness profile. Residual stress results show that the diffusion controlled effect can also be used to predict residual stress profile affected depth. Likewise, the tempering controlled effect can be used to predict surface and maximum values of the residual stress profile.

Kurzfassung

Das Nitrieren von niedriglegierten Stählen ist ein für die Herstellung von Getrieben und Lagern für die Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitetes Verfahren. Manche hochbeanspruchten Oberflächen erfordern eine hohe Nitriertiefe, die eine Langzeit-/Hochtemperatur-Nitrierbehandlung voraussetzt. Mit dieser Studie sollen die Auswirkungen von Prozessparametern auf die Härte- und Eigenspannungsprofile in einem großen Spektrum von Nitrierdauern und -temperaturen identifiziert werden. Wir zeigen, dass Kern und Randschicht als zwei verschiedene Materialien betrachtet werden können, deren Entfestigung durch zwei Vergütungsprinzipien vorhergesagt werden kann. Darüber hinaus wurde aus der Nitriertiefe und einem Pseudodiffusionskoeffizienten eine grundlegende Beziehung zur Abschätzung des Härteprofils abgeleitet. Die Ergebnisse der Eigenspannungswerte zeigen, dass der diffusionsgesteuerte Effekt ebenfalls dazu genutzt werden kann, um die durch das Eigenspannungsprofil beeinflusste Eindringtiefe vorherzubestimmen. Ebenso kann die anlassgesteuerte Wirkung dazu genutzt werden, um die Oberflächen- und Höchstwerte des Eigenspannungsprofils vorherzusagen.