ferritic nitrocarburizing (fnc) processes & …
TRANSCRIPT
FERRITIC NITROCARBURIZING (FNC) PROCESSES & APPLICATIONS
Benjamin T. BernardSurface Combustion, Inc.
OUTLINE
• FNC Metallurgy
• Atmosphere
• Furnace Equipment
• Process Control / Standards
• Conclusions
AGENDA
• Metalúrgico FNC
• Atmósferas
• Hornos
• Control del Proceso
• Normas
• Conclusiones
Ferritic• Ferritic implies temperatures less
than the A1 line (1400°F(760°C)) in the iron-carbon phase diagram
‒ No BCC to FCC transition
‒ Solubility of N in Steel is limiting factor during FNC, lower temperatures
• Available nitrogen from ammonia dissociation
‒ NH3 N(g) + 3/2(H2)
‒ Kn = pNH3/p(H2)3/2
• Nitrogen Diffuses Into The Steel
• Nitrogen Reacts With The Nitride-Forming Elements
• Hardening Results From This
FERRÍTICO• Ferrítico significa temperaturas de baja
temperatura, menos de la temperatura cuando la transformación metalúrgico a austenita se ocurre (A1) (760°C (1400°F)) hierro-carbon diagrama fase.
‒ No BCC a FCC
‒ Solubilidad de nitrógeno en acero es el limite en el proceso FNC, baja temperaturas
• Nitrogeno es disponible desde de-enlace de amoniaco
‒ NH3 N(g) + 3/2(H2)
‒ Kn = pNH3/p(H2)3/2
• Nitrogeno se difusa a acero
• Nitrogeno se combina con elementos de aleación que puede formar nitruro
• Endurezca de superficie
NITRIDE FORMING ELEMENTS• Chrome (Cr), Aluminum (Al), Iron (Fe)
• Fe3N (Epsilon)
• Fe4N (Gamma Prime)
• As alloying increases, the Nitrogen diffusion zone decreases
ELEMENTOS QUE SE PUEDE NITRURAR• Cromo (Cr), Aluminio (Al), Hierro (Fe)
• Fe3N (Epsilon)
• Fe4N (Gamma Prime)
• Cuando se aumenta la nivel de aleación, la profundidad de difusión de nitrógeno va a bajar
Stange Elektronik ECS
FNC METALLURGY
• Carbon Steel‒ Typical Specification
WHITE LAYER = 0.0005(12.7 μm)
Metalúrgico FNC
• Acero de Bajo Carbon‒ Especificacion
Capa Blanca = 0.0005(12.7 μm)
A. 50X mag.
B. 200X mag.
(White Layer = 13-18 microns HV = 500)
FNC METALLURGY• Ductile Iron
‒ Ammonia / RX® Gas‒ WHITE LAYER =
0.0006” avg. (15.2 μm)
‒ Ammonia / N2/ CH4 ‒ WHITE LAYER =
0.0006” (15µm)
Metalúrgico FNC• Hierro Fundición Dúctil (Ductile Iron)
‒ Amoniaco / RX® Gas Endotérmico‒ CAPA BLANCA =
0.0006” (15.2 μm)
‒ Amoniaco / N2/ CH4 ‒ CAPA BLANCA =
0.0006” (15µm)B. 500X mag.
A. 200X mag.
FNC ADVANTAGES
• Increase in Surface Hardness
• Increase Wear Resistance & Anti-Galling Properties
• Low Part Distortion Due to Low Operating Temperatures 700°F (370°C) to 1100°F (593°C)
• Improved Part Lubricity
VENTAJAS FNC
• Endurezca de superficie
• Resistente a desgaste y corrosión
• Menos Distorsión por el proceso a baja temperatura 700°F (370°C) to 1100°F (593°C)
• Mejor lubricidad del parte
FNC ADVANTAGES
• Improved Corrosion Resistance
• Improved Fatigue Life
VENTAJAS FNC
• Resistencia a corrosión
• Resistencia a la fatiga Ref: CHTE NitrideTool®
FNC ATMOSPHERE• Ammonia (NH3) based with myriad
of available carrier gases and diluents• RX® Endothermic Gas and NH3
• RX® with dissociated NH3 and N2(g)
• DX® Exothermic Gas and NH3
ATMOSFERA FNC• Amoniaco (NH3) con gases
corregidos y gases diluyentes
• RX® Gas Endotérmico y NH3
• RX® con NH3 (desasociado) y N2(g)
• DX® Gas Exotérmico y NH3
TYPICAL ATMOSPHERES & PROCESS
• Pre-Oxidize / Pre-Heat
• Purge In With Nitrogen
• Introduce Process Gasses
• Purge Out / Process Cool
• Post Oxidize, If Required
ATMOSFERAS & PROCESOS TIPICOS
• Pre-Oxidación / Pre-Calentar
• Purga con Nitrógeno
• Introduce Gases del Proceso
• Purga al final / Enfriar
• Post Oxidación
RX® ATMOSPHERE GENERATION• Provides N2, CO, H2
• Additional Gases Needed for FNC: ‒ NH3‒ N2(g)‒ CH4
• LEL of RX® is 1400°F, so care should be taken to operate at FNC temperatures
RX® ATMOSFERA• Producir N2, CO, H2
• Otras atmósferas para FNC: ‒ NH3‒ N2(g)‒ CH4
• Mínimo Temperatura de Explosion(LEL) de RX® es 1400°F (760°C), sistemas de seguridad deben que esta instaladas
ATMOSPHERESAtmosphere Varieties For Cast Iron:
A. 40% Endothermic, 60% Ammonia
B. 35% Nitrogen, 5% Methane, 60% Ammonia
C. 40% Ammonia, 55% Nitrogen, 5% Carbon Dioxide
ATMOSFERASHierro Fundido:
A. 40% Endotérmico, 60% Amoniaco
B. 35% Nitrógeno, 5% Metano, 60% Amoniaco
C. 40% Amoniaco, 55% Nitrógeno, 5% Gas Carbónico
200X mag.
2-3 HorasTemperatura 1050°F
NITRIDE (PROCESS GAS) TRADENAMES• TrinidingTM
‒ 1050°F, 4 hrs., NH3, N2(g) and CH4
‒ Epsilon or Gamma prime
• Lindure®
• 900-1100F, 2hrs., RX® and NH3
• Epsilon
• Nitroflex®
− 1050-1100°F, 1-5 hrs., NH3, CO2, N2
− N2 + N2O for blackening
− Epsilon with deep diffusion layer covered with black oxide
PROCESOS de NITRUAR con MARCAS REGISTRADAS• TrinidingTM
‒ 1050°F (566°C), 4 hrs., NH3, N2(g), y CH4
‒ Epsilon o Gamma prime
• Lindure®
• 900-1100F (482-593°C), 2hrs., RX® y NH3
• Epsilon
• Nitroflex®
− 1050-1100°F (566-593°C), 1-5 hrs., NH3, CO2, N2
− N2 + N2O para oxido negro
− Epsilon con difusión profundo y superficie de oxido negro
Triniding is a trademark of Surface CombustionLindure is a registered trademark of BodycoteNitroflex is a registered trademark of Linde
FNC PRE-PROCESS CONSIDERATIONS• Hardened/Tempered• Stress Relieve
− T should be less than FNC temperature
• Thoroughly Cleaned• Optional
− Pre-oxidize (N2O or H2O)− Shot Blast− Machine− Phosphate Coat− Acid Etch (Activation)
PROCESOS ANTES de FNC• Endurecer y Revenir• Eliminación de Esfuerzos
− Temperatura debe estar menos que el proceso de FNC
• Piezas limpias• Opcional
− Pre-oxido (N2O or H2O)− Chorreo con granalla− Maquinado− Fosfatacion− Atacar con acido (Activación)
FURNACE DESIGNS FOR FNC DISEÑOS DE HORNOS PARA FNC
• Batch Integral Quench Furnaces - Hornos de temple integrales
• FNC Furnaces - Hornos FNC
• Pit Furnaces - Hornos tipo Foso
• Cover & Base Furnaces - Hornos tipo Campana
• Horizontal Retort Furnaces - Hornos Horizontales con Retortas
• Vacuum Furnaces - Hornos de Vacio
• Continuous Furnaces - Hornos Continuos
• Companion Equipment - Equipamiento Auxiliares
• Ion Furnaces – Hornos Ionico
ALLCASE®
BATCH INTEGRAL QUENCH FURNACES
Typical Furnace For Gaseous FNC With Both An Oil Quench And Atmospheres QuenchHornosALLCASE®
Horno Allcase tipico para FNC con temple de aceite y RX® lento tambien.
BATCH INTEGRAL QUENCH FURNACESPROCESSES:• FNC• Post Oxidation• Carbonitriding• Carburizing
Hornos con Temple IntegralesPROCESOS:• FNC• Post Oxido• Carbonitrurar• Carburar
DISADVANTAGES:• Not Recommended For Classical Gas
Nitriding Because Of No Retort (refractory lined)
DESVENTAJAS:• No tiene retorta (aislado con ladrillos) por
eso no es recomendaría a nitruarsolamente, debe procesar con carbon (FNC)
ADVANTAGES:• High Productivity On Short Process Cycles (3-4
hours)• Automated Load/Unload• Also Designed For High Temperature Processes • Oil/Polymer Quench Ability• Atmosphere (N2 or RX®) cooling with Top Cool• Slow Ammonia Dissociation
VENTAJAS:• Producción mayor con ciclos cortos (3-4 hrs)• Cargar/ Descargar Automático• Flexibilidad a Procesar hasta 2000F (1093C) • Temple de Aceite o Polímero• Temple con Atmósfera (N2 or RX®) en cámara
Top Cool• Taza lenta disociar Amoniaco
900
920
940
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980
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0:31
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5:31
Te
mp
era
ture
(°F
)
TC#1
TC #2
TC #3
TC #4
TC #5
TC #6
TC #7
TC #8
TC #9
Uniformidad Temperatura Horno Integral - FNC
BIQ TEMPERATURE UNIFORMITY - FNC
FNC UNIFORMITY BATCH FURNACE
Uniformidad Horno Integral - FNC
FNC Calidad – Horno Batch FNC UNIFORMITY BATCH FURNACE
FNC UNIFORMITY BATCH FURNACE
FNC Calidad – Horno Batch
FNC Calidad – Horno BatchFNC UNIFORMITY BATCH FURNACE
FNC QUENCH FURNACESPROCESSES:• FNC• Atmosphere Tempering
FNC Horno TemplePROCESOS:• FNC• Revenir en atmósfera protectiva
DISADVANTAGES:High temperature (>1250°F (677°C)) processes
cannot be done in this furnace
DESVENTAJAS:No se puede procesar >1250°F (677°C)
ADVANTAGES:• Optimized Design for Low Temperature FNC
Process‒ Smaller Footprint
• Less Volume for Heating / Process Gases• High Productivity On Short Process Cycles • Automated Load/Unload• Top Cool Option Available
VENTAJAS:• Diseño especifico para proceso FNC a temperaturas
bajas‒ Menos espacio en fabrica
• Menos volumen para calentar y gas del proceso• Producción mayor con ciclos cortos• Cargar/ Descargar Automático• Opción Top Cool
950
970
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0:33
:50
Time (HH:MM:SS)
Tem
pera
ture
(°F
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Outp
ut (%
)
Process Value Working SetPoint Output %
FNC Horno TempleTiempo v. Temperatura
Low Temperature FNC Furnace TIME TEMPERATURE CURVE
PIT FURNACE (WITH RETORT ASSEMBLY)PROCESSES:• Nitriding• Nitro-Carburizing• Oxynitriding• Pre-Oxidation• Post Oxidation (Bluing & Blackening)
HORNO DE FOSO (CON RETORTA)
PROCESOS:• Nitrurar• NITROCARBURACION• Oxy-nitrurar• Pre-Oxido• Post Oxido (Bluing & Blackening)
DISADVANTAGES:• Atmosphere Piping Must Be Disconnected During
Load/Unload• Not Productive For Short Cycle Processes• Slower Cooling by External Coolers Compared to
Oil Quench
DESVENTAJAS:• La tubería de atmósfera debe ser
desconectados cuando remover la retorta• No recomendado para procesos tiempo cortos• Enfriamiento por soplador externo
ADVANTAGES:• Custom Sizes Available• Retort & Load Can Be Removed From
Heating System To Improve Productivity
VENTAJAS:• Tómanos a especificación• Retorta y Carga se pueden quitar para
aumentar la productividad
590
592
594
596
598
600
602
604
606
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Time
Te
mp
era
ture
(°C
)
TC # 1
TC # 2
TC # 3
TC # 4
TC # 5
TC # 6
TC # 7
TC # 8
TC # 9
PIT FURNACE TIME TEMPERATURE CHART
HORNO DE FOSO TIEMPO v. TEMPERATURA
COVER & BASE (BELL) FURNACESPROCESSES:• Nitriding• Nitro-Carburizing• Oxynitriding• Pre-Oxidation• Post Oxidation (Bluing & Blackening)
HORNOS DE CAMPANAPROCESOS:• Nitrurar• NITROCARBURACION• Oxy-nitrurar• Pre-Oxido• Post Oxido (Bluing & Blackening) DISADVANTAGES:
Not Productive For Short Cycle Processes
Desventajas:No recomendado para procesos tiempo cortos
ADVANTAGES:• Custom Sizes Available• Atmosphere Piping, Probes, Flue All Remain
Connected During Loading / Unloading• Multiple Base/Retorts Can Be Serviced By
Common Heating Cover
VENTAJAS:• Tómanos a especificación• Todas la tubería y probetas mantenidos
conectados durante cargar y descargar• Una campana se puede servir base múltiples
para aumentar producción
HORIZONTAL METALINEDTM FURNACE
PROCESSES:• Nitriding• Nitro-Carburizing• Oxynitriding• Pre-Oxidation• Post Oxidation (Bluing & Blackening)
HORNO HORIZONTAL METALINEDTM
PROCESOS:• Nitrurar• NITROCARBURACION• Oxy-nitrurar• Pre-Oxido• Post Oxido (Bluing & Blackening)
DISADVANTAGES:Load Must Remain In Furnace Until Part
Temperature Is Low
Desventajas:La carga tiene que permanecer en el horno hasta
bajar la temperatura (300F)
ADVANTAGES:• Pit Requirements Eliminated• Fast Change in Atmosphere• Faster Cooling Compared to Pit Design• Automation of Loading/Unloading
VENTAJAS:• No se requiere una fosa• Se puede cambiar la atmósfera rápidamente• El enfriamiento es mas rápido que tipo foso• Cargar/ Descargar Automático
Inside/Out Vacuum Furnace
US Patent 6,283,749
CONTINUOUS FURNACESPROCESSES:• Nitro-Carburizing• Post Oxidation• Pre-Oxidation• Carbonitriding• Carburizing
HORNOS CONTINUOSPROCESOS:• NITROCARBURACION• Post Oxido• Pre-Oxido• Carbonitrurar• Carburar
DISADVANTAGES:• Frequent Cycle Changes• Not Designed For Large Part Sizes• Not Recommended For Classical Gear NitridingDesventajas:• Cambias a ciclos • Partes de tómanos grandes• No se recomiende para nitrurar engranajes
ADVANTAGES:• Fully Automated• High Productivity On Similar Part Types• Ability To Do High Temperature Processes• Oil/Polymer Quench In Addition To Atmosphere
Cooling
VENTAJAS:• Totalmente Automático• Producción máxima para partes similares• Se puede procesar a temperaturas altas• Temple con aceite o polímero también con la
opción de enfriar con atmósfera
• Ammonia Dissociator
• Rich Fume Incinerator
• External Cooling System
• NX® Nitrogen
Atmosphere Generator
COMPANION EQUIPMENT
EQUIPMAMIENTOS AUXILIARES
• Disociador de amoniaco• Incinerador Rich Fume• Sistema de enfriamiento
externo (External CoolingSystem)
• NX® Generador de atmósfera N2(g)
PROCESS ION NITRIDING GAS NITRIDING Process Time
Up to 10% Faster
White Layer (Capa Blanca)
Can Eliminate With 90% H2, 10% N2 Gas
Mono-Phase
Always Dual Phase
Ground Off to Prevent Spalling
Parts Fixturing (Aparamenta)
Needs Careful Fixturing Fixturing Less Important
Process Gas
N2 & H2 + (CH4) Ammonia Disassociated Ammonia
Nitrogen
Masking (Mascara parte)
Simple Mechanical Placement
Plating Required
Maintenance (Mantenimiento)
Moderate
Vacuum Pumps
Insulators
Moderate
Air Leaks (Seals)
Extra Equipment
Nitrogen Tank
H2 Bottle
Ammonia Tank
Dissociator or Generator
Horno de Nitrurar IónicoION NITRIDING FURNACE
PROCESS CONTROL• Continuous Monitoring of
Nitriding/Nitro-Carburizing Potential By Use Of In Situ H2Probe and/or Ammonia Sensors
• Automatic Control Of Process Flow During Process To Maintain Nitriding Potential or Ammonia Dissociation Rate At Appropriate Level During Cycle
• All Process Gas Flows Measured By Mass Flow Controllers
CONTROL DE PROCESO• Medir potencial de Nitrurar/
NITROCARBURACIONcontinuamente con probetas H2 y/o sensor por amoniaco
• Control automático para mantener Kn (NitridingPotential) o Taza de disociación de amoniaco durante el ciclo
• Los flujos de los gases del proceso son medidos por MFC’s (Mass Flow Controllers)
PROCESS CONTROL• Recipe Based Control To
Control The Following− Temperature− Furnace Pressure− Nitriding Potential− Ammonia Dissociation (%)− Soak Time In Each
Segment− Cooling Rate− Purge In/Purge Out Flows− Pre-Oxidation− Post-Oxidation
• Automated systems improve process control and reduces cycle time over non-controlled processes
CONTROL DE PROCESO• Control por recetas con los
siguientes:− Temperatura− Presión del horno
(Furnace Pressure)− Potencial de Nitrurar (Kn)− Disociación de
Amoniaco(%)− Tiempo− Taza de enfriamiento− Purgas− Pre-Oxido− Post-Oxido
• Sistemas con control automático se ofrece mejor control del proceso y bajar tiempo de ciclo
STANDARDS• Process Specifications required
closed-loop control for temperature and process gases
• Automotive AIAG CQI-9 Process Table B
• Ferritic Nitrocarburizing –Batch Furnace
• Aerospace AMS 2759 AMS 2750E Customer Specific
NORMAS
• Especificaciones del proceso se requieren control de temperatura y la medición del gas del proceso
CONCLUSION• FNC is a value adding process
which can be accomplished in many furnace arrangements and many process gas blends on most ferrous metals
• The FNC process can be controlled in a fashion to meet today’s industry standards
• FNC offers many secondary benefits like energy savings, from lower operating temperatures, elimination of post heat-treat steps and increased wear & corrosion resistance
• FNC es un proceso metalúrgico que puede aumentar los característicos mecánicos de los partes, y muchos tipos de hornos están disponibles.
• El proceso FNC se puede hacer con varios combinaciones de atmósferas a la mayoría de metales férreos.
• Se puede control el proceso FNC para pasar las normas de la industria hoy en día.
• FNC se resultan en muchos beneficios segundarios como baja consumo de energía (por causa a menos temperaturas del proceso), la eliminación de procesos después del área de tratamiento térmico, y mejor resistencia a corrosión.
References:
1. Center for Heat Treat Excellence, Metallurgical Sample Preparation and Photos
2. Retrofitted Atmosphere Furnace Provides High Quality FNC Parts, J. Gottschalk, D. Nelson. Heat Treating Progress. July/August 2009, pp. 24-26
3. Automotive Industry Action Group (AIAG), CQI-9 Rev. 03, 2013
4. ASM Metals Handbook, Vol. 4, Heat Treating, pp. 264-269
5. ASM Heat Treater’s Guide, 2nd ed
6. Furnace Atmospheres No. 3, Gas Nitriding and Nitrocarburising, Linde