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 -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 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

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