Article
Licensed
Unlicensed Requires Authentication

Cementite-layer formation by ferritic nitrocarburising

Dr.mont. Bernd Edenhofer dedicated to his 65. birthday
  • and
Published/Copyright: May 31, 2013
Become an author with De Gruyter Brill
Submit Manuscript Author Information
HTM Journal of Heat Treatment and Materials
From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 63 Issue 6

Abstract

Massive cementite surface-layers can be prepared upon gaseous nitrocarburising of α-iron substrates, where the ammonia contained in the gas atmosphere suppresses the otherwise occurring metal dusting and sooting reactions. The growth kinetics and properties of such cementite layers have been reviewed, in particular in view of possible deliberate generation of such layers in the course of commercial heat-treatment processes.

Kurzfassung

Massive oberflächliche Zementitschichten können durch Gasnitrocarburieren von α-Eisensubstraten erzeugt werden. Dabei verhindert der Ammoniak in der Gasatmosphäre das ansonsten auftretende Metal Dusting und Verrußen. Es wird ein Überblick über einige Arbeiten in der Literatur gegeben, die sich mit Wachstumskinetik und Eigenschaften solcher Zementitschichten beschäftigen. Dieses geschieht insbesondere im Hinblick auf eine denkbare gezielte Erzeugung solcher Schichten im Rahmen technischer Wärmebehandlungsprozesse.

Keywords: Surface hardening; nitrocarburising; nitriding; carburising; cementite; compound layer

References

1. Liedtke, D.; Baudis, U.; Boßlet, J.; Huchel, U.; Klümper-Westkamp, H.; Lerche, W.; Spieß, HJ.: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen – Nitrieren und Nitrocar-burieren. Expert-Verlag, Renningen, 2006Search in Google Scholar

2. Davis, J. R.; Davidson, G. M.; Lampman, S. R.; Zorc, T. B.; DaquilaJ. L.; Ronke, A. W., Henniger, K. L. (Eds): Heat Treating. ASM Handbook, Volume 4, ASM International, 199110.1111/j.1365-2672.2010.04832.xSearch in Google Scholar

3. Du, H.; Hillert, M.: An Assessment of the Fe-C-N System. Z. Metallkde.82 (1991), p. 310–316.Search in Google Scholar

4. Kubalek, E.: Isothermisches Zeit-Temperatur-Entmischungs-Schaubild als Grundlagenuntersuchung zur Erklärung der Entmischungsvorgänge im System Eisen-Stickstoff. Härterei-Techn. Mitt.23 (1968), p. 177–197.Search in Google Scholar

5. Mittemeijer, E. J.: Fatigue of Case-Hardened Steels; Role of Residual Macro- and Microstresses. J. Heat Treating3 (1983), p. 114–119.10.1007/BF02833081Search in Google Scholar

6. Mittemeijer, E. J.: Slycke, J. T.: Chemical Potentials and Activities of Nitrogen and Carbon imposed by gaseous nitriding and carburising atmospheres. Surf. Eng.12 (1996), p. 152–162.Search in Google Scholar

7. Grabke, H. J.: Metal Dusting. Mater. Corr.54 (2003), p. 736–746.10.1201/9781439824078Search in Google Scholar

8. Somers, M. A. J.; Mittemeijer, E. J.: Formation and growth of compound layers on nitrocarburfzing iron: kinetics and microstructural evolution. Surf. Eng.3 (1987), p. 123–137.Search in Google Scholar

9. Sone, T.; Tsunasawa, E.; Yamanaka, K.: Ion-softnitriding of 0.15-percent carbon steel in N2-H2-CH4 Gas mixtures. Trans. Japan Inst. Met.22 (1981), p. 237–243.Search in Google Scholar

10. Du, H.; Somers, M. A. J.; Ägren, J.: Microstructural and compositional evolution of compound layers during gaseous nitrocarburizing. Metall. Mater. Trans. A31A (2000), p. 195–211.10.1007/s11661-000-0065-7Search in Google Scholar

11. Naumann, F. K.; Langenscheid, G.: Das Aufstickungs- und Aufkohlungsvermögen von Ammoniak-Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemischen. Arch. Eisenhüttenwes.8 (1965), p. 583–590.Search in Google Scholar

12. Gressmann, T.; Nikolussi, M.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.: Formation of massive cementite layers on iron by ferritic carburising in the additional presence of ammonia. Scr. Mater.55 (2006), p. 723–726.10.1016/j.scriptamat.2006.06.022Search in Google Scholar

13. Nikolussi, M.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.: Growth of massive cementite layers; thermodynamic parameters and kinetics, to be published.10.1007/s10853-008-3160-6Search in Google Scholar

14. Nikolussi, M.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.: Microstructure and crystallography of massive cementite layers on ferrite substrates. Acta Mater.56 (2008), p. 5837–5844.10.1016/j.actamat.2008.08.001Search in Google Scholar

15. Nikolussi, M.; Shang, S.; Gressmann, T.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.; Wang, Y.; Liu, Z.-K.: Extreme elastic anisotropy of cementite, Fe3C; first-principles calculations and experimental evidence by X-ray diffraction stress measurements. Scr. Mater.59 (2008), p. 814–817.Search in Google Scholar

16. Nikolussi, M.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.: To be published.Search in Google Scholar

17. Hendricks, B. S.: The Crystal Structure of Cementite. Z. Kristallogr.74 (1930), p. 534–545.Search in Google Scholar

18. Shimura, S.: A study on the structure of cementite. Proc. Japan Acad.6 (1930), p. 269–271.Search in Google Scholar

19. Weieren, A.: Cementitens Kristallstruktur. Jernkont. Ann. (1932), p. 457–468.Search in Google Scholar

20. Lipson, H.; Vetch, N J.: The crystal structure of cementite, Fe3C. J. Iron Steel Inst.142 (1942), p. 95–103.Search in Google Scholar

21. Fasiska, E. J.; Jeffrey, G. A.: On the cementite structure. Acta Cryst.19 (1965), p. 463–471.10.1107/S0365110X65003602Search in Google Scholar

22. Wood, I. G.; Vocadlo, L.; Knight, K. S.; Dobson, D P.; Marshall, W G.; Price, G. D.; Brodholt, J.: Thermal expansion and crystal structure of cementite, Fe3C, between 4 and 600 K determined by time-of-flight neutron powder diffraction. J. Appl. Cryst.37 (2004), p. 82–90.Search in Google Scholar

23. Hendricks, S. B.; Kosting, P. B.: The crystal structure of Fe2P, Fe2N, Fe3N and FeB. Z. Kristallogr.74(1930), p. 511–533.Search in Google Scholar

24. Nagakura, S.: Study of metallic carbides by electron diffraction Part III. Iron carbides. J. Phys. Soc. Japan14 (1959), p. 186–195.10.1143/JPSJ.14.186Search in Google Scholar

25. Hirotsu, Y.; Nagakura, S.: Crystal structure and morphology of the carbide precipitated from martensitic high carbon steel during the first stage of tempering. Acta Metall.20 (1972), p. 645–655.10.1016/0001-6160(72)90020-XSearch in Google Scholar

26. Herbstein, F. H.; Snyman, J. A.: Identification of Eckstrom-Adcock Iron Carbide. Inorg. Chem.3 (1964), p. 894–896.10.1021/ic50016a026Search in Google Scholar

27. Fruchart, R.; Senateur, J. P.; Bourchard, J. P.; Michel, A.: A propops de la structure exacte du carbure de fer Fe7C3. C. R. Acad. Sei.260 (1965), p. 913–915.Search in Google Scholar

28. Jack, K. H.; Wild, S.: Nature of c-carbide and its possible occurrence in steels. Nature212 (1966), p. 248–250.Search in Google Scholar

29. Sproge, L.; Slycke, J.: Control of the compound layer in gaseous nitrocarburising. Heat Treat. Met.19 (1992) 15–20.10.4028/www.scientific.net/MSF.102-104.229Search in Google Scholar

30. Mittemeijer, E. J.; Somers, M. A. J.: Thermodynamics, kinetics and process control of nitriding. Surf. Eng.13 (1997), p. 483–497.Search in Google Scholar

31. Grabke, H J.: Kinetik und Mechanismen der Oberflächenreaktionen bei der Auf- und Entkohlung und Auf- und Entstickung von Eisen in Gasen. Arch. Eisenhüttenwes.46 (1975), p. 75–81.Search in Google Scholar

32. Lehrer, F.: Über das Eisen-Wasserstoff-Ammoniak-Gleichgewicht. Z. Elektrochem.36 (1930), p. 383–392Search in Google Scholar

33. Kunze, J.: Nitrogen and carbon in iron and steel. Akademie-Verlag, Berlin, 1990Search in Google Scholar

34. Hasegawa, M.; Yagi, T.: Systematic study of formation and crystal structure of 3d-transition metal nitrides synthesized in a supercritical nitrogen fluid under 10 GPa and 1800 K using diamond anvil cell and YAG laser heating. J. Alloys Comp.403 (2005), p. 131–142.10.1002/chin.200604023Search in Google Scholar

35. Motin, M. A. A.; Munroe, P. R.; Brady, M. P.; Young, D. J.: Metal dusting of ferritic Fe-Ge in the absence of cementite. Scr. Mater.56(2007), p. 281–284.10.1016/j.scriptamat.2006.10.024Search in Google Scholar

36. Zhang, J Q.; Munroe, P.; Young, D. J.: Microprocesses in nickel accompanying metal dusting. Acta Mater.56 (2008), p. 68–77.10.1016/j.actamat.2007.09.010Search in Google Scholar

37. Prenosil, B.: Einige neue Erkenntnisse über das Gefüge von um 600 °C in der Gasatmosphäre carbonitrierter Schichten. Härterei-Techn. Mitt.28 (1973), p. 157–164.Search in Google Scholar

38. Schröter, W.: Zu einigen Beziehungen zwischen den Systemen Fe-C und Fe-N. -Diskussion über ein stabiles Zustandssystem Fe-N. Wiss. Zeitschr. Techn. Hochsch. Karl-Marx-Stadt24 (1982), p. 795–809.Search in Google Scholar

39. Schneider, A.; Grabke, HJ.: Effect of H2S on metal dusting of iron. Mater. Corr.54 (2003), p. 793–798Search in Google Scholar

40. Nikolussi, M.; Leineweber, A.; Bischoff, E.; Mittemeijer, E. J.: Examination of phase transformations in the system Fe-N-C by means of nitrocarburising reactions and secondary annealing experiments; the α + ε two-phase equilibrium. Int. J. Mater. Res.98 (2007), p. 1086–109210.3139/146.101576Search in Google Scholar

41. Wöhrle, T.; Gressmann, T.; Leineweber, A.; Mittemeijer, E. J.: unpublished results.Search in Google Scholar

42. Hillert, M.; Höglund, L.; Ägren, J.: Diffusion in interstitial compounds with thermal and stoichiometric defects. J. Appl. Phys.98 (2005), p. 053511.10.1063/1.1999833Search in Google Scholar

43. Ozturk, B.; Fearing, V. L.; Ruth, / A.; Simkovich, G.: Self-diffusion coefficients of carbon in Fe3C at 723 K via the kinetics of formation of this compound. Metall Trans. A13A (1982), p. 1871–1873.Search in Google Scholar

44. OzturkB.; Fearing, V.L.; Ruth, J. A.; Simkovich, C.: The diffusion-coefficient of carbon in cementite, Fe3C, at 450°C. Solid State Ionics12 (1984), p. 145–151.Search in Google Scholar

45. Hillert, M.; Höglund, L.; Agren, J.: Diffusion in interstitial compounds with thermal and stoichiometric defects. J. Appl. Phys.98 (2005), p. 053511-1-6.10.1063/1.1999833Search in Google Scholar

46. BagaryatskyY. A.: [Other Text Language Ingnored]. Dokl. Akad. Nauk SSSR73 (1950), p. 1161–1164.Search in Google Scholar

47. Welzel, U.; Ligot, J.; Lamparter, P.; VermeulenA. C.; Mittemeijer, E. J.: Stress analysis of polycrystalline thin films and surface regions by X-ray diffraction. J. Appl. Crys-tallogr.38 (2005), p. 1–2910.1107/S0021889804029516Search in Google Scholar

48. Jiang, C.; Srinivasan, S. G.; Caro, A.; MaloyS. A.: Structural, elastic and electronic properties of Fe3C from first-principles. J. Appl. Phys.103 (2008), p. 043502.10.1063/1.2737963Search in Google Scholar

49. Weller, M.: Point defect relaxations. Mater. Sei. Forum366-368 (2001), p. 95–13710.1051/jp4:1996812Search in Google Scholar

50. Spieß, H.-J.: Nitrieren im Spannungsfeld von Theorie und Praxis. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung59 (2004), p. 78–86Search in Google Scholar

Published Online: 2013-05-31
Published in Print: 2008-12-01

© 2008, Carl Hanser Verlag, München

Articles in the same Issue

  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. Kurzfassungen/Summaries
  4. Kurzfassungen
  5. Vorwort/Foreword
  6. Herrn Dr. mont. Bernd Edenhofer zum 65. Geburtstag
  7. Fachbeiträge/Technical Contributions
  8. Cementite-layer formation by ferritic nitrocarburising
  9. Einfluss des Anlassens auf Eigenschaften einsatzgehärteter Bauteile
  10. Beeinflussung der Randschicht durch die Einsatzhärtung*
  11. Zusammenhang zwischen Konstitution und Wärmebehandelbarkeit hochfester austenitischer Stähle
  12. Untersuchung des Korrosionsverhaltens von nichtrostenden Stählen nach einer thermochemischen Behandlung bei tiefen Temperaturen
  13. Wärmebehandlungs-Simulation bei ZF – Anwendungsentwicklung und Vorhersage der Kernhärte an Bauteilen**
  14. Ermittlung der Materialdaten zur Simulation des Durchhärtens von Komponenten aus 100Cr6
https://doi.org/10.3139/105.100478
Keywords for this article
Surface hardening; nitrocarburising; nitriding; carburising; cementite; compound layer

Articles in the same Issue

  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. Kurzfassungen/Summaries
  4. Kurzfassungen
  5. Vorwort/Foreword
  6. Herrn Dr. mont. Bernd Edenhofer zum 65. Geburtstag
  7. Fachbeiträge/Technical Contributions
  8. Cementite-layer formation by ferritic nitrocarburising
  9. Einfluss des Anlassens auf Eigenschaften einsatzgehärteter Bauteile
  10. Beeinflussung der Randschicht durch die Einsatzhärtung*
  11. Zusammenhang zwischen Konstitution und Wärmebehandelbarkeit hochfester austenitischer Stähle
  12. Untersuchung des Korrosionsverhaltens von nichtrostenden Stählen nach einer thermochemischen Behandlung bei tiefen Temperaturen
  13. Wärmebehandlungs-Simulation bei ZF – Anwendungsentwicklung und Vorhersage der Kernhärte an Bauteilen**
  14. Ermittlung der Materialdaten zur Simulation des Durchhärtens von Komponenten aus 100Cr6
Downloaded on 14.4.2026 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.3139/105.100478/html
Scroll to top button