Principles of nitriding, an industrial point of view

Alberto DelgadoEspecialidades Térmicas, S.A. de C.V.

Fundidores 18Zona Industrial Xhala

Cuautitlán Izcalli, México, C.P. 54714

NitruradoNitrurado es el endurecimiento superficial que introduce Nitrogeno en la superficie del acero en rango de temperatura de (500 a 550 ºC, o de 930 a 1020 ºF), mientras esta sea en condiciones ferriticas

El nitrurado no es un recubrimiento

DifusiónCoating

Nitriding is not a coating

Nitriding

Nitriding is a surface-hardening heat treatment that introduces nitrogen into the surface of steel at temperature range (500 to 550 ºC, or 930 to 1020 ºF), while it is in the ferritic condition

NitruradoDifusión de nitrógeno en la capa superficial de una aleación ferrosa sólido manteniendo a una temperatura adecuada (por debajo de Ac1 para aceros ferríticos) en contacto con un material nitrogenado, normalmente amoniaco o cianuro fundido de composición apropiada, el temple (enfriamiento controlado) no es requerido para endurecer los materiales

Compound layer or Withe layerFase ɛ

Transition layer

Difusion Layer Fase γ’

Oxide layer (Fe3O4)

NitridingIntroducing nitrogen into the surface layer of a solid ferrous alloy by holding at a suitable temperature (below Ac1 for ferritic steels) in contact with a nitrogenous material, usually ammonia or molten cyanide of appropriate composition, quenching is not required to produce a hard case .

DurezaEl proceso de nitruración es la formación de una capa superficial en el acero de una solución sólida de nitrógeno y nitruros (capa de compuestos o blanca), siendo estos extremadamente duros por lo que le confieren alta dureza a la capa superficial de la pieza.

La dureza de la superficie nitrurada es notablemente mayor que la de las superficies cementadas y templadas. La nitruración se produce a temperaturas relativamente bajas (500 a 600 °C)

HardnessThe purpose of the nitriding process is the formation of a superficial layer in the steel of a solid solution of nitrogen and nitrides, the last one is extremely hard and confer high hardness in the surface.

The hardness of the nitriding surface is notably higher than the carburized or quenched surfaces. Nitriding is performed at relatively low temperatures (500 to 600°C).

Beneficios del Nitrurado

Mejoran la resistencia al desgaste

Mejoran la resistencia a la corrosión

Mejora la propiedad de la fatiga.

Minimiza la distorsión y deformación de las piezas tratadas, debido a que es un proceso de baja temperatura

Puede sustituir al cromado y otros recubrimientos

Benefits nitrided

Improves good wear resistance

Improves corrosion resistance

Improves fatigue properties

Minimize distortion and deformation of the treated parts, it is a low temperature treatments process

Nitriding could replace chromium and others coatings

La nitruración se puede realizar en diferentes medios

Gaseosa

Líquida

Nitriding can be performed in different environment

GasLiquid

Gas nitridingLa mayoría de los aceros se pueden nitrurarmediante el uso de nitrógeno atómico el cual se obtiene de la descomposición de amoniaco en dos etapas

ETAPA 1. Disociación Térmica del amoniaco

ETAPA 2. Absorción del Nitrógeno y posteriormente difusión del nitrógeno en la superficie del acero

Nitruración gaseosaMost of the steels can be nitride using atomic nitrogen which is obtained from ammonia decomposition as follows:

• Phase 1. Thermal dissociation of ammonia.

• Phase 2. Nitrogen absorption and subsequently diffusion of nitrogen on the steel surface

Disociación del amoniacoDissociation of ammonia

Reacciones de nitruración

La reacción de disociación de amoniaco (ruptura de una molécula en átomos más sencillos) se lleva a cabo de acuerdo a:

El nitrógeno que no es absorbido por el acero pasa a nitrógeno molecular y pierde su poder nitrurante.

Nitriding reactions

Ammonia dissociation takes place as follows:

The nitrogen which not react with the steel forms molecular nitrogen without any further effect.

2NH3 2N2 + 3H2 Eq. (1)

N + xFe FexN (as Fe3N, Fe4N or Fe2N) Eq. (2)

2N N2 Eq. (3)

Potencial de nitruración

El potencial químico de nitrógeno, KN, define termodinámicamente la nitribilidad de la atmósfera nitrurante

Se debe alcanzar el equilibrio termodinámico

Nitriding potential

The chemical potential of nitrogen, KN, thermodynamically defines the nitridingatmosphere to nitride

It must be reached thermodynamic equilibrium

Gaseous N = N steel surface

Muestra la relación entre las fases formadas bajo equilibrio local y el potencial de nitruración como una función de la temperatura.

Kn= potencial de nitruración

Diagrama de LehrerLehrer diagram

It shows the relationship between the phases formed under local balance and nitridingpotential as a function of temperature .

Kn = nitriding potential

Nitruración líquida

El proceso de nitruración se lleva a cabo mediante la acción de sumergir las piezas o herramientas en un baño de sales a una temperatura entre 520 y 580 ºC .

Las piezas procesadas por este método deben ser maquinadas a su dimensión final antes del nitrurado.

Liquid nitridingNitriding process is performed by the action of parts immersed in a salt bath at temperature between 520 and 580 ºC .

Parts processed by this technique mustbe machined to final dimensions beforenitriding process.

En el baño de sales se generan tres compuestos los cuales se controlan para poder tener potencial nitrurante que son:

CIANATOS (CNO)

CIANUROS (CN)

CARBONATOS (CO3)

CNO3- N* + CO3

= + CN-

CO3= + CR9 CNO-

Eq. (1)

Eq. (2)

Chemical reaction

In the salt bath three compounds are generated, they are controlled to have Nitriding potential they are:

CYANATES (CNO)

CYANIDES (CN)

CARBONATES (CO3)

545550555560565570575580585590595600

13:37

:5613

:39:55

13:41

:5313

:43:46

13:45

:4313

:47:39

13:49

:3513

:51:25

13:53

:1313

:55:03

13:57

:0113

:58:56

14:00

:5314

:02:48

14:04

:4514

:06:42

14:08

:3514

:10:30

14:12

:2014

:14:13

14:16

:0914

:18:02

14:19

:5314

:21:49

14:23

:4214

:25:36

14:27

:31

TEMPER

ATUR

A EN

°C

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

Higher T° - Lower time

Proceso GeneralGeneral Process

Buffing

FLOW

Temperatura de Tratamiento

Mayor porosidad

Mejor protección a la corrosión

Treatment Temperature

Higher porosity

Higher corrosion protection

Temperatura de Tratamiento Mejor protección contra el

desgaste

Minimiza el aumento de la rugosidad

Treatment Temperature Wear resistance improving

Minimizes the increase in roughness

Temperatura de Tratamiento Minimiza el tiempo de proceso

Protección de agrietamiento de la capa blanca bajo una flexión

Treatment Temperature Reduces process time

Protection of the white layer cracking under bending.

50 % Max of Porosity

15 % Max of Porosity

500x

AplicaciónApplication

AplicaciónApplication

Piston rings

AplicaciónApplication

Friction parts

GRACIAS POR SU ATENCIONTHANKS FOR YOUR ATTENTION