Regular Article

Sensor system for controlled carbonitriding

Système de capteur pour la carbonitruration contrôlée

Leibniz Insitute for Materials Engineering, IWT Bremen, Badgasteiner Str. 3, 28359 Bremen, Germany

^* e-mail: hkw@iwt-bremen.de

Received: 5 February 2018
Accepted: 16 May 2018

Abstract

Carbonitriding is mainly used to enhance the hardenability and wear resistance of unalloyed steels. Last year investigations have shown that improved component properties can efficiently be obtained by carbonitriding also low alloy and even higher alloy steels. The importance of carbonitriding rises. In the past, carbonitriding was done with constant ammonia additions, e.g. 2–5 vol% are added to the carburizing atmosphere without controlling or measuring the nitriding potential of the atmosphere. The results scatter in a wide rage depending on furnace, batch size and load and many other influencing factors. The need for a control system is obvious. The presented sensor system allows carbonitriding processes, where carbon and nitrogen potentials of the atmosphere are controlled. This allows adjusting surface carbon and nitrogen contents to desired values independently and guarantees constant product quality. The sensor system consists of a combination of an ammonia and an oxygen sensor and simulation software. By this way online diffusion profile calculation for carbon and nitrogen are possible even for alloyed steels taking alloy factors for both into account. These alloy factors, measured for many steel grades and phase boundaries, were calculated with Thermocalc.

Résumé

La carbonitruration est principalement utilisée pour améliorer la trempabilité et la résistance à l’usure des aciers non alliés. Les recherches des dernières années ont montré que les propriétés améliorées des composants peuvent être efficacement obtenues en carbonitrurant également les aciers faiblement alliés et même des aciers plus fortement alliés. L’importance de la carbonitruration augmente. Dans le passé, la carbonitruration était effectuée avec des additions d’ammoniac constantes, par exemple 2 et 5 %vol sont ajoutés à l’atmosphère de cémentation sans contrôle ni mesure du potentiel de nitruration de l’atmosphère. Les résultats varient dans une large bande en fonction du four, de la taille du lot et de la charge, ainsi que de nombreux autres facteurs influents. Le besoin d’un système de contrôle est évident. Le système de détection présenté permet des process de carbonitruration, où les potentiels de carbone et d’azote de l’atmosphère sont contrôlés. Cela permet d’ajuster indépendamment les teneurs en carbone et en azote de la surface aux valeurs souhaitées et garantit une qualité constante du produit. Le système de détection est constitué d’une combinaison d’une sonde d’ammoniac et d’une sonde d’oxygène ainsi que d’un logiciel de simulation. De cette manière, le calcul du profil de diffusion en ligne pour le carbone et l’azote est possible, même pour les aciers alliés, en tenant compte des facteurs d’alliage. Ces facteurs d’alliage, mesurés pour de nombreuses nuances d’acier et limites de phase, ont été calculés avec Thermocalc.