Deep Cryogenic Treatment and Nitriding of 42CrMo4 Steel*
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A. Ciski
Abstract
The paper presents the combination concept of a deep cryogenic treatment (DCT) with a nitriding process of 42CrMo4 steel. The DCT process at −180 °C was carried out immediately after the steel quenching, before subsequent tempering and nitriding. As a reference mode, an involving conventional heat treatment process as hardening, tempering and nitriding was carried out. A multi-stage gas nitriding process at 520 °C/32 h was used.
Properties of nitrided steel subjected to DCT differed significantly from the properties of steel subjected to conventional nitriding process. After heat and thermo-chemical treatment involving DCT, samples had a higher surface hardness (increase of approx. 17 %), higher impact strength (increase of approx. 15 %) and higher wear resistance (a 25 % reduction of max. wear in a 3 rolls-cone system). The properties of deep cryogenically treated and nitrided steel resulted from the forming of a thicker white layer on the steel surface. In comparison with the layer thickness obtained after the conventional treatment, the white layer was thicker by about 160 % (6.5 μm vs. 2.5 μm). The thickness of the diffusion zone for both treatment variants was similar (approx. 300 μm). It was stated that deep cryogenic treatment by causing, among others, the refinement of the matrix grain and increasing the dislocations density, affects the number of nucleation sites of nitrides and carbonitrides during forming of the white layer, which increases the layer thickness.
Kurzfassung
Dieser Beitrag beschreibt das Prinzip einer Tieftemperaturbehandlung (DCT) des Stahls 42CrMo4 in Kombination mit einem Nitrierprozess. Der DCT-Prozess bei einer Temperatur von −180 °C wurde unmittelbar nach dem Abschrecken, noch vor dem anschließenden Anlassen und Nitrieren des Stahls durchgeführt. Als Vergleichsmodell wurde ein mit einem herkömmlichen Wärmebehandlungsprozess (Härten, Anlassen und Nitrieren) behandelter Stahl herangezogen. Es wurde ein mehrstufiger Gasnitrierprozess bei 520 °C 32 h durchgeführt.
Die Eigenschaften von nitriertem Stahl, der DTC unterzogen wurde, unterschieden sich deutlich von den Eigenschaften des mit einem herkömmlichen Nitrierverfahren behandelten Stahls. Nach der Wärme- und thermochemischen Behandlung unter Anwendung des DCT-Verfahrens wiesen die Proben eine höhere Oberflächenhärte (Steigerung um ca. 17 %), eine höhere Schlagzähigkeit (Steigerung um ca. 15 %) sowie eine höhere Verschleißfestigkeit (Verringerung des maximalen Verschleißes in einem 3-Walzen-Kegel-System um 25 %) auf. Die positiven Eigenschaften von tieftemperaturbehandeltem, nitriertem Stahl ergaben sich aus der Bildung einer dickeren weißen Schicht auf der Stahloberfläche. Im Vergleich zu der nach der herkömmlichen Behandlung erzielten Schichtdicke, war die weiße Schicht um etwa 160 % dicker (6,5 µm gegenüber 2,5 µm). Die Dicke der Diffusionszone war bei beiden Behandlungsweisen ähnlich (etwa 300 µm). Es wurde festgestellt, dass DCT die Anzahl der Keimbildungsstellen von Nitriden und Carbonitriden während der Bildung der weißen Schicht beeinflusst, unter anderem durch eine Verfeinerung des Matrixkorns und die Erhöhung der Versetzungsdichte, wodurch sich letztendlich die Schichtdicke erhöht.
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