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

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4:01

10:1

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

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Time (HH:MM:SS)

Tem

pera

ture

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)

0

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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

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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