FERRITIC NITROCARBURIZING (FNC) PROCESSES & APPLICATIONS
Benjamin T. Bernard Surface Combustion, Inc. OUTLINE AGENDA • FNC Metallurgy • Metalúrgico FNC • Atmosphere • Atmósferas • Furnace Equipment • Hornos • Process Control / Standards • Control del Proceso • Conclusions • Normas • Conclusiones Ferritic FERRÍTICO • Ferritic implies temperatures less • Ferrítico significa temperaturas de baja than the A1 line (1400°F(760°C)) in temperatura, menos de la temperatura cuando la transformación metalúrgico the iron-carbon phase diagram a austenita se ocurre (A1) (760°C ‒ No BCC to FCC transition (1400°F)) hierro-carbon diagrama fase. ‒ Solubility of N in Steel is ‒ No BCC a FCC limiting factor during FNC, ‒ Solubilidad de nitrógeno en acero lower temperatures es el limite en el proceso FNC, baja temperaturas
• Available nitrogen from ammonia • Nitrogeno es disponible desde de- dissociation enlace de amoniaco ‒ NH3 N(g) + 3/2(H2) ‒ NH3 N(g) + 3/2(H2) 3/2 3/2 ‒ Kn = pNH3/p(H2) ‒ Kn = pNH3/p(H2)
• Nitrogen Diffuses Into The • Nitrogeno se difusa a acero Steel • Nitrogeno se combina con • Nitrogen Reacts With The elementos de aleación que puede Nitride-Forming Elements formar nitruro • Endurezca de superficie • Hardening Results From This NITRIDE FORMING ELEMENTS Stange Elektronik ECS • 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 FNC METALLURGY • Carbon Steel ‒ Typical Specification . WHITE LAYER = 0.0005 (12.7 μm)
A. 50X mag. Metalúrgico FNC • Acero de Bajo Carbon ‒ Especificacion . Capa Blanca = 0.0005 (12.7 μm)
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) A. 200X mag. 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. FNC ADVANTAGES VENTAJAS FNC • Increase in Surface • Endurezca de superficie Hardness • Resistente a desgaste y • Increase Wear Resistance & corrosión Anti-Galling Properties • Menos Distorsión por el • Low Part Distortion Due to proceso a baja Low Operating temperatura 700°F Temperatures 700°F (370°C) to 1100°F (370°C) to 1100°F (593°C) (593°C) • Improved Part Lubricity • 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 ATMOSFERAS & PROCESOS TIPICOS
• Pre-Oxidize / Pre-Heat • Pre-Oxidación / Pre-Calentar • Purge In With Nitrogen • Purga con Nitrógeno • Introduce Process Gasses • Introduce Gases del Proceso • Purge Out / Process Cool • Purga al final / Enfriar • Post Oxidize, If Required • 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 ATMOSPHERES Atmosphere Varieties For Cast Iron: A. 40% Endothermic, 60% Ammonia B. 35% Nitrogen, 5% Methane, 60% Ammonia C. 40% Ammonia, 55% Nitrogen, 5% Carbon Dioxide ATMOSFERAS Hierro Fundido: A. 40% Endotérmico, 60% Amoniaco B. 35% Nitrógeno, 5% Metano, 60% Amoniaco 200X mag. C. 40% Amoniaco, 55% 2-3 Horas Nitrógeno, 5% Gas Carbónico Temperatura 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 Triniding is a trademark of Surface Combustion ‒ 1050°F (566°C), 4 hrs., NH3, N2(g), y CH4 Lindure is a registered trademark of Bodycote ‒ Epsilon o Gamma prime Nitroflex is a registered trademark of Linde • 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 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 Quench Hornos ALLCASE® Horno Allcase tipico para FNC con temple de aceite y RX® lento tambien. BATCH INTEGRAL QUENCH FURNACES PROCESSES: • FNC • Post Oxidation • Carbonitriding • Carburizing 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
Hornos con Temple Integrales PROCESOS: • FNC • Post Oxido • Carbonitrurar DISADVANTAGES: • Carburar • Not Recommended For Classical Gas Nitriding Because Of No Retort (refractory VENTAJAS: • Producción mayor con ciclos cortos (3-4 hrs) lined) • Cargar/ Descargar Automático • Flexibilidad a Procesar hasta 2000F (1093C) DESVENTAJAS: • Temple de Aceite o Polímero • No tiene retorta (aislado con ladrillos) por • Temple con Atmósfera (N2 or RX®) en cámara eso no es recomendaría a nitruar Top Cool solamente, debe procesar con carbon (FNC) • Taza lenta disociar Amoniaco BIQ TEMPERATURE UNIFORMITY - FNC Uniformidad Temperatura Horno Integral - FNC 1100 1080 1060 1040 1020 TC#1 1000 TC #2 TC #3 980 TC #4
Temperature (°F) 960 TC #5 940 TC #6 920 TC #7 900 TC #8 TC #9
9:54:319:56:019:57:319:59:01 10:00:3110:02:0110:03:3110:05:0110:06:3110:08:0110:09:3110:11:0110:12:3110:14:0110:15:31 FNC UNIFORMITY Uniformidad BATCH FURNACE Horno Integral - FNC FNC UNIFORMITY FNC Calidad – Horno Batch BATCH FURNACE FNC UNIFORMITY FNC Calidad – Horno Batch BATCH FURNACE FNC UNIFORMITY BATCH FURNACE FNC Calidad – Horno Batch FNC QUENCH FURNACES PROCESSES: • FNC • Atmosphere Tempering
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 FNC Horno Temple PROCESOS: • FNC • Revenir en atmósfera protectiva DISADVANTAGES: VENTAJAS: High temperature (>1250°F (677°C)) processes • Diseño especifico para proceso FNC a temperaturas cannot be done in this furnace bajas ‒ Menos espacio en fabrica DESVENTAJAS: • Menos volumen para calentar y gas del proceso • Producción mayor con ciclos cortos No se puede procesar >1250°F (677°C) • Cargar/ Descargar Automático • Opción Top Cool Low Temperature FNC Furnace FNC Horno Temple TIME TEMPERATURE CURVE Tiempo v. Temperatura
Process Value Working SetPoint Output % 1150 100 1130 90 1110 80 1090 70 1070 60 1050 50 1030 40
Output (%) Output
Temperature (°F) Temperature 1010 30 990 20 970 10 950 0
0:00:000:01:200:02:400:04:000:05:200:06:400:08:000:09:200:10:400:11:500:20:300:21:500:23:100:24:300:25:500:27:100:28:300:29:500:31:100:32:300:33:50 Time (HH:MM:SS) PIT FURNACE (WITH RETORT ASSEMBLY) PROCESSES: • Nitriding • Nitro-Carburizing • Oxynitriding • Pre-Oxidation • Post Oxidation (Bluing & Blackening) ADVANTAGES: • Custom Sizes Available • Retort & Load Can Be Removed From Heating System To Improve Productivity
HORNO DE FOSO (CON RETORTA) PROCESOS: • DISADVANTAGES: Nitrurar • Atmosphere Piping Must Be Disconnected During • NITROCARBURACION Load/Unload • Oxy-nitrurar • Not Productive For Short Cycle Processes • Pre-Oxido • Slower Cooling by External Coolers Compared to • Post Oxido (Bluing & Blackening) Oil Quench VENTAJAS: DESVENTAJAS: • Tómanos a especificación • La tubería de atmósfera debe ser • Retorta y Carga se pueden quitar para desconectados cuando remover la retorta aumentar la productividad • No recomendado para procesos tiempo cortos • Enfriamiento por soplador externo PIT FURNACE HORNO DE FOSO TIME TEMPERATURE CHART TIEMPO v. TEMPERATURA
610
608
606 TC # 1 604 TC # 2 602 TC # 3 TC # 4 600 TC # 5 TC # 6 598 TC # 7 Temperature (°C) TC # 8 596 TC # 9 594
592
590 Time COVER & BASE (BELL) FURNACES PROCESSES: • Nitriding • Nitro-Carburizing • Oxynitriding • Pre-Oxidation • Post Oxidation (Bluing & Blackening) ADVANTAGES: • Custom Sizes Available • Atmosphere Piping, Probes, Flue All Remain Connected During Loading / Unloading • Multiple Base/Retorts Can Be Serviced By Common Heating Cover HORNOS DE CAMPANA PROCESOS: • Nitrurar • NITROCARBURACION • Oxy-nitrurar • Pre-Oxido • Post Oxido (Bluing & Blackening) DISADVANTAGES: VENTAJAS: Not Productive For Short Cycle Processes • Tómanos a especificación Desventajas: • Todas la tubería y probetas mantenidos No recomendado para procesos tiempo cortos 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) Inside/Out Vacuum ADVANTAGES: Furnace • Pit Requirements Eliminated US Patent • Fast Change in Atmosphere • Faster Cooling Compared to Pit Design 6,283,749 • Automation of Loading/Unloading
HORNO HORIZONTAL METALINEDTM PROCESOS: • Nitrurar • NITROCARBURACION • Oxy-nitrurar • Pre-Oxido DISADVANTAGES: • Post Oxido (Bluing & Blackening) Load Must Remain In Furnace Until Part Temperature Is Low VENTAJAS: • No se requiere una fosa Desventajas: • Se puede cambiar la atmósfera rápidamente La carga tiene que permanecer en el horno hasta • El enfriamiento es mas rápido que tipo foso bajar la temperatura (300F) • Cargar/ Descargar Automático CONTINUOUS FURNACES PROCESSES: • Nitro-Carburizing • Post Oxidation • Pre-Oxidation • Carbonitriding • Carburizing ADVANTAGES: • Fully Automated • High Productivity On Similar Part Types • Ability To Do High Temperature Processes • Oil/Polymer Quench In Addition To Atmosphere Cooling HORNOS CONTINUOS PROCESOS: • NITROCARBURACION • Post Oxido • Pre-Oxido • Carbonitrurar DISADVANTAGES: • Carburar • Frequent Cycle Changes VENTAJAS: • Not Designed For Large Part Sizes • Totalmente Automático • Not Recommended For Classical Gear Nitriding • Producción máxima para partes similares Desventajas: • Se puede procesar a temperaturas altas • Cambias a ciclos • • Partes de tómanos grandes Temple con aceite o polímero también con la • No se recomiende para nitrurar engranajes opción de enfriar con atmósfera COMPANION EQUIPMENT • Ammonia Dissociator • Rich Fume Incinerator • External Cooling System • NX® Nitrogen Atmosphere Generator
EQUIPMAMIENTOS AUXILIARES • Disociador de amoniaco • Incinerador Rich Fume • Sistema de enfriamiento externo (External Cooling System) • NX® Generador de atmósfera N2(g) ION NITRIDING FURNACE Horno de Nitrurar Iónico
PROCESS ION NITRIDING GAS NITRIDING Process Time Up to 10% Faster
White Layer Can Eliminate With Always Dual Phase (Capa Blanca) 90% H2, 10% N2 Gas Mono-Phase Ground Off to Prevent Spalling Parts Fixturing Needs Careful Fixturing Fixturing Less Important (Aparamenta) Process Gas N2 & H2 + (CH4) Ammonia Disassociated Ammonia Nitrogen Masking Simple Mechanical Plating Required (Mascara parte) Placement Maintenance Moderate Moderate (Mantenimiento) Vacuum Pumps Air Leaks (Seals) Insulators Extra Nitrogen Tank Ammonia Tank Equipment H2 Bottle Dissociator or Generator
PROCESS CONTROL CONTROL DE PROCESO • Continuous Monitoring of • Medir potencial de Nitrurar/ Nitriding/Nitro-Carburizing NITROCARBURACION Potential By Use Of In Situ H2 continuamente con probetas Probe and/or Ammonia H2 y/o sensor por amoniaco Sensors • Control automático para • Automatic Control Of Process mantener Kn (Nitriding Flow During Process To Potential) o Taza de Maintain Nitriding Potential or disociación de amoniaco Ammonia Dissociation Rate At durante el ciclo Appropriate Level During Cycle • Los flujos de los gases del proceso son medidos por • All Process Gas Flows MFC’s (Mass Flow Controllers) Measured By Mass Flow Controllers PROCESS CONTROL CONTROL DE PROCESO • Recipe Based Control To • Control por recetas con los Control The Following siguientes: − Temperature − Temperatura − Furnace Pressure − Presión del horno − Nitriding Potential (Furnace Pressure) − Ammonia Dissociation (%) − Potencial de Nitrurar (Kn) − Soak Time In Each − Disociación de Segment Amoniaco(%) − Cooling Rate − Tiempo − Purge In/Purge Out Flows − Taza de enfriamiento − Pre-Oxidation − Purgas − Post-Oxidation − Pre-Oxido − Post-Oxido • Automated systems improve process control and reduces • Sistemas con control cycle time over non- automático se ofrece mejor controlled processes control del proceso y bajar tiempo de ciclo STANDARDS NORMAS • Process Specifications required • Especificaciones del proceso closed-loop control for se requieren control de temperature and process gases temperatura y la medición del gas del proceso
• Automotive . AIAG CQI-9 Process Table B • Ferritic Nitrocarburizing – Batch Furnace • Aerospace . AMS 2759 . AMS 2750E . Customer Specific CONCLUSION • • FNC es un proceso metalúrgico FNC is a value adding process que puede aumentar los which can be accomplished in característicos mecánicos de los many furnace arrangements and partes, y muchos tipos de hornos many process gas blends on most están disponibles. ferrous metals • El proceso FNC se puede hacer con varios combinaciones de • The FNC process can be atmósferas a la mayoría de controlled in a fashion to meet metales férreos. today’s industry standards • Se puede control el proceso FNC para pasar las normas de la • FNC offers many secondary industria hoy en día. benefits like energy savings, from • FNC se resultan en muchos lower operating temperatures, beneficios segundarios como baja consumo de energía (por causa a elimination of post heat-treat menos temperaturas del steps and increased wear & proceso), la eliminación de corrosion resistance 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