In the automobile and shipbuilding industries, various materials and components require superior surface strength, excellent wear resistance and good resistance to repeated loads. To improve the surface properties of the materials, various surface heat treatment methods are used, which include carburizing, nitriding, and so on. Among them, carburizing treatment is widely used for structural steels containing carbon. The effective carburizing thickness required for materials depends on the service environment and the size of the components. In general, however, there is a limit in evaluation of the surface properties with a standardized mechanical test method because the thickness or cross-sectional area of the carburized layer is limited. In this regard, the nanoindentation technique has lots of advantages, which can measure the mechanical properties of the material surface at the nano and micro scale. It is possible to understand the relationship between the microstructural change in the hardened layer by carburizing treatment and the mechanical properties. To be spread to practical applications at the industrial level, in this paper, the principle of the nanoindentation method is described with a representative application for analyzing the mechanical properties of the carburized material.
한국소성가공학회 2003년도 The 8th Asian Symposium on Precision Forging ASPF
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pp.40-42
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2003
The aim of this paper is to illustrate which factors influence the martensite grain fineness made by subsequently surface carburizing of extruded component. The effects of surface decarburizing by annealing, residual stress, initial microstructure and crystal oriental made by forward extrusion were taken into account. The available evidence suggests that the residual stress inside crystal or the crystal orientation is the main factor that results coarse martensite while cold extruded component was treated by carburizing.
SCM 21 and D.P steel were carburized in vacuum using prophane at a temperature ranging from 1228k to 1308k under a gas pressure ranging from 21.3kpa to 61.8kpa, and the following results were obrained. 1) D.P. steel has considerable efficiency in depressing the grain growth during the high temperature carburizing and it has fine structure even at 1268k for 14.4ks when carburizied. Therefore this steel is expected to be suitable for vacuum carburizing at a high temperature. 2) Case depth was increased as the carburizing temperature increases and it was 3.2mm at max, temperature of 1308k, for max, time of 14.4ks and under max, pressure of 61.8kpa. Thus vacuum-carburizing was considered effective for the materials which need case depth, which is necessary for machine structure use. 3) The rate of case depth of SCM 21 was faster than D.P. steel under same carburizing conditions and the increasing rate of the case depth was constant. 4) Case depth was increased as the gas pressure becomes high under same carburizing temperature. 5) Case carbon concentration, $C_s$, of SCM 21 obeys to a formula, $$C_s=kt^{1/2}+C_0$$ Where k is $2.15{\times}10^{-2}$($wt%.S^{-1/2}$) and this value is a little bit lower than that of SNCM 815.
진공침탄법은 이산화탄소의 발생이 없는 친환경적인 열처리 방식으로 알려져 있다. 그러나 진공침탄법은 탄화수소 가스(메탄, 프로판)를 노내에 직접 공급하여 열분해하는 과정을 거침으로써 노내에 그을음이 발생하여 안정적인 조업이 불가능한 단점이 있다. 최근에는 이러한 단점을 극복하기위한 불포화 탄화수소인 아세틸렌가스를 이용한 진공침탄법이 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 아세틸렌가스를 이용한 진공침탄방식의 침탄 및 확산 시간을 변수로 하여 여러 가지 조건에서 열처리를 진행한 후 가스침탄 열처리된 소재와 기계적 성질을 비교 분석하여 이산화탄소 무 배출 진공침탄 열처리 방법의 활용가능성을 확인하였다. 연구결과 본 연구에서 시도된 진공침탄법은 가스침탄에서 나타나는 입계산화층이 발생하지 않았으며 경도 값은 진공침탄 시험편의 유효경화 깊이가 29.8% 크게 나타났으며 인장강도는 가스침탄보다 10%낮게 나왔으나 허용치를 충분히 만족하는 수준이었다.
For the purpose of development of domestic carburizer, when the basicity of ash in carburizer was changed from $Na_2O/Al_2O_3+SiO_2$ ; 0.06 to $Na_2O/Al_2O_3+SiO_2$ ; 0,196wt%, using $Na_2O$ as flux for domestic graphite resource (Bong Myung armorphous graphite), carburizing efficiency was improved as basicity increased, optimum basicity value was $Na_2O/Al_2O_3+SiO_2$ ; 0.151. This means that $Na_2O$ contributed to lower viscosity of slag and raise occurence probability of specific reaction surface between molten iron and carburizer. The experiment of effect of general characteristics offecting carburizing ability of this carburizer was performed, the result is that 10/30 mesh was optimum size of the carburizer and as carbon equivalent of molten iron was higher, carburizing ratio was lowered, but when si concentration was below 1.8% in general cast iron melting region, recovery showed 75-85%. As agitation rate of molten iron and temperature interval were higher, Carburizing ratio was increased and showed max, 94%. Desulfurizing phenomena of molten iron by $Na_2O$ in carburizer didn't appear.
Low pressure or vacuum carburizing(LPC) has undergone major further developments since 1980 and now it has achieved industrial maturity. The advantage of low pressure vacuum carburizing over gas carburizing is not only the creation of surface entirely free of oxide and environmentally friendly but also a reduction in batch times, lower gas and energy consumption and the prevention of soot. In this study the experiment was carried out to investigate the effects of vacuum atmosphere in the heating furnace. Heat transfer rate and uniformity of temperatures of test samples in the pressure range of a few 0.1torr was examined on a test charge of 100kg. It is found that the fuel saving rate due to decreasing heating time reach to 20% in the vacuum heating mode as compared with atmospheric heating mode. Also the uniformity of temperatures in the samples was improved significantly in the vacuum heating mode. Also the effects of the RC fan for stirring atmosphere inside furnace was examined. Results shows RC fan appears to provide a reasonable tool for improving uniformity of temperature in the atmospheric heating mode.
For improvement of the wear performance of Ti alloy, vacuum-carburizing technique was tried for the first time using propane atmosphere. During the low pressure carburizing carbide was formed at the surface and carbon transfer was occurred from the carbide to the matrix. It was found that: (i) surface hardness increased with the reduction of operating pressure and time; (ii) optimum hardness distribution could be obtained with the proper choice of temperature and carbon flux control; and, (iii) case depth was largely influenced not by time but by temperature. The two steps process was recommended for obtaining thick case depth and high surface hardness of Ti alloy. For the low oxygen partial pressure, it was necessary to introduce additional CO gas to the atmosphere.Grain boundary oxidation and non-uniformity could be prevented.
Austenitic stainless steel (STS304) has been carburized using glow discharge plasma and its microstructure, wear resistance and corrosion property have been investigated. A repeat boost-diffuse carburizing was used as an effective plasma carburizing method. The effective case depth of the plasma carburized specimens was increased with the carbon concentration at the surface area. The specimens prepared by 3 hours plasma carburizing under $600^{\circ}C$ did not have the standard hardness for the effective case depth, but the specimen prepared by 11 hours plasma carburizing at $500^{\circ}C$ had nearly the same hardness with the specimen plasma carburized for 3 hours at $800^{\circ}C$. The wear resistance increased with temperature but the corrosion properties of the specimens prepared over $600^{\circ}C$ decreased rapidly due to the grain boundary sensitization. However, the specimen plasma carburized for 11 hours at $500^{\circ}C$ had nearly the same wear resistance with the specimen plasma carburized for 3 hours at $800^{\circ}C$ without deterioration of corrosion property. This could be resulted from the fact that the microstructure of the specimen plasma carburized for 11 hours at $500^{\circ}C$ was composed of martensite and austenite, because a partial martensite transformation was occurred only in the specimen plasma carburized for 11 hours at 50$0^{\circ}C$.
Conventional plasma carburizing or nitriding for austenitic stainless steels results in a degradation of corrosion resistance. However, a low temperature plasma surface treatment can improve surface hardness without deteriorating the corrosion resistance. The 2-step low temperature plasma processes (the combined carburizing and post nitriding) offers the increase of both surface hardness and thickness of hardened layer and corrosion resistance than the individually processed low temperature nitriding and low temperature carburizing techniques. In the present paper, attempts have been made to investigate the influence of the introduction of Ar gas (0~20%) in nitriding atmosphere during low temperature plasma nitriding at $370^{\circ}C$ after low temperature plasma carburizing at $470^{\circ}C$. All treated specimens exhibited the increase of the surface hardness with increasing Ar level in the atmosphere and the surface hardness value reached up to 1050 HV0.1, greater than 750 $HV_{0.1}$ in the carburized state. The expanded austenite phase (${\gamma}_N$) was observed on the most of the treated surfaces. The thickness of the ${\gamma}_N$ layer reached about $7{\mu}m$ for the specimen treated in the nitriding atmosphere containing 20% Ar. In case of 10% Ar containing atmosphere, the corrosion resistance was significantly enhanced than untreated austenitic stainless steels, whilst 20% Ar level in the atmosphere caused to form CrN in the N-enriched layer (${\gamma}_N$), which led to the degradation of corrosion resistance compared with untreated austenitic stainless steels.
SCMH2 steel is widely used in the industrial members of car and tractor. This study focused on material properties and evaluation technology of the SCMH2 steel regarding the surface treatment followed by carburizing and nitriding, by means of impact test, hardness test. and fatigue test including HCF (high cycle fatigue) and VHCF (very high cycle fatigue). Drop weight impact tester (Instron, 9250 Hv) and Cantilever type rotating-bending fatigue tester (YRB200, 3150 rpm) were used to characterize the SCMH2 standard specimen before and after carburizing/nitriding. In order to understand those effects on fatigue characteristics and material properties, the fractured surfaces were carefully observed and analyzed by SEM (scanning electron microscope) and EDS (energy-dispersive X-ray spectroscopy).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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