Mechanism and Observation of Pore Formation during Carbonitriding

M. Skalecki; M. Sommer; M. Steinbacher; S. Hoja

doi:10.1515/htm-2022-1028

Article

Mechanism and Observation of Pore Formation during Carbonitriding

M. Skalecki , M. Sommer , M. Steinbacher and S. Hoja

Published/Copyright: April 16, 2023

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From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 78 Issue 2

Abstract

Carbonitriding enhances properties of many steels and is therefore an attractive alternative for surface hardening of steel components in the mechanical industry. However, pore formation in the carbon and nitrogen enriched surface layer may occur under certain process conditions. For a given steel and case depth specification, pore formation can be managed by reducing the nitrogen activity of the carbonitriding atmosphere below a defined limit, depending on process temperature and process time. Recent progress in process control allows automatic and independent adjustments of the carbon and nitrogen activities and corresponding potentials of the carbonitriding atmosphere. This study contributes to the practical evaluation of pore formation limits under selected carbonitriding conditions for a range of commonly used engineering steel grades.

Kurzfassung

Das Carbonitrieren verbessert die Eigenschaften vieler Stähle und ist daher eine attraktive Alternative für die Oberflächenhärtung von Stahlbauteilen in der Maschinenbauindustrie. Allerdings kann es unter bestimmten Prozessbedingungen zur Porenbildung in der mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherten Oberflächenschicht kommen. Bei einer gegebenen Stahl- und Einsatztiefenspezifikation kann die Porenbildung beeinflusst werden, indem die Stickstoffaktivität der Carbonitrieratmosphäre in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur und der Prozesszeit unter einen bestimmten Grenzwert gesenkt wird. Jüngste Fortschritte in der Prozesssteuerung ermöglichen die automatische und unabhängige Einstellung der Kohlenstoff- und Stickstoffaktivitäten und der entsprechenden Potentiale der Carbonitrieratmosphäre. Diese Studie leistet einen Beitrag zur praktischen Bewertung der Porenbildungsgrenzen unter ausgewählten Carbonitrierbedingungen für eine Reihe häufig verwendeter technischer Stahlsorten.

Keywords: pore formation; carbonitriding; case hardening; nitrogen activity

Schlüsselwörter: Porenbildung; Carbonitrieren; Einsatzhärten; Stickstoffaktivität

Funding statement: The IGF projects 18394, 18668 and 19876 of the Forschungsgesellschaft Stahlverformung e. V. and the Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. were funded by the AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V.) through the IGF program of the BMWK (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz) due to a resolution of the Deutscher Bundestag. The authors are grateful for the financial support.

Funding statement: Die IGF-Projekte 18394, 18668 und 19876 der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e. V. und der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. wurden gefördert durch die AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V.) über das IGF-Programm des BMWK (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung.

Author Contributions

Conceptualization, M.Sk. and S.H.; methodology, M.Sk.; S.H. and M.So.; investigation, M.Sk. and S.H.; resources, M.St.; writing – original draft preparation, M.Sk., M.So., and S.H.; writing – review and editing, M.St.; visualization, M.Sk., M.So. and S.H.; supervision, M.St.; project administration, M.Sk. and S.H.; funding acquisition, M.St. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Data Availability Statement

Not applicable
Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest. The funders had no role in the design of the study; in the collection, analyses, or interpretation of data; in the writing of the manuscript; or in the decision to publish the results.
Beiträge der Autoren

Konzeptualisierung, M.Sk. und S.H.; Methodik, M.Sk.; S.H. und M.So.; Untersuchung, M.Sk. und S.H.; Ressourcen, M.St.; schriftliche Ausarbeitung des ursprünglichen Entwurfs, M.Sk., M.So. und S.H.; schriftliche Überprüfung und Bearbeitung, M.St.; Visualisierung, M.Sk., M.Sk., M.So. und S.H.; Supervision, M.St.; Projektverwaltung, M.Sk. und S.H.; Finanzierungsbeschaffung, M.St. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.
Erklärung zur Datenverfügbarkeit

Nicht zutreffend
Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen. Die Geldgeber hatten keinen Einfluss auf die Gestaltung der Studie, die Erhebung, Analyse oder Interpretation der Daten, das Verfassen des Manuskripts oder die Entscheidung zur Veröffentlichung der Ergebnisse.

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Published Online: 2023-04-16

Published in Print: 2023-03-30

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pore formation; carbonitriding; case hardening; nitrogen activity