Publication: Plasma nitriding of an air-hardening medium manganese forging steel
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2022-08-25
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De Gruyter
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Abstract
The impact of plasma nitriding on the microstructure and the hardness of a recently developed 4 wt.-% medium manganese steel are presented. In contrast to standard quench and tempering steels, the investigated material achieves its martensitic microstructure by air-cooling from the forging heat, which enables the reduction of the carbon footprint of the forged components. The influence of nitriding on this grade of steel has not been investigated so far, but fundamental differences in comparison to standard nitriding steels are expected due to the increased manganese concentration. To address this issue, nitriding treatments with different temperatures (350 °C, 580 °C and 650 °C) have been performed, followed by examinations of the microstructure, the phase composition, the obtained hardness profiles and the tensile properties of the bulk material after nitriding, accompanied by thermodynamic equilibrium calculations. It is demonstrated that after nitriding at 580 °C similar hardness profiles like standard nitriding steels are achieved, with a shorter process as austenitization and hardening were omitted, reaching a hardness of approximately 950 HV0.1. Furthermore, it was demonstrated that austenite can be stabilized by manganese and nitrogen partitioning to room temperature during nitriding in the intercritical phase region.
Es wird der Einfluss des Plasmanitrierens auf das Gefüge und die Härte eines kürzlich entwickelten 4-Gew.-%-Mittelmanganstahls vorgestellt. Im Gegensatz zu Standard-Vergütungsstählen erreicht der untersuchte Werkstoff sein martensitisches Gefüge durch Luftabkühlung aus der Schmiedewärme, was die Reduzierung des Kohlenstoff-Fußabdrucks der Schmiedeteile ermöglicht. Der Einfluss des Nitrierens auf diese Stahlsorte wurde bisher noch nicht untersucht, doch werden aufgrund der erhöhten Mangankonzentration grundlegende Unterschiede im Vergleich zu Standard-Nitrierstählen erwartet. Um diese Frage zu klären, wurden Nitrierbehandlungen bei verschiedenen Temperaturen (350 °C, 580 °C und 650 °C) durchgeführt und anschließend die Mikrostruktur, die Phasenanteile, die erreichten Härteprofile und die Zugeigenschaften der Matrix nach dem Nitrieren untersucht, begleitet von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen. Es wird gezeigt, dass nach dem Nitrieren bei 580 °C vergleichbare Härteprofile wie bei Standard-Nitrierstählen erzielt werden, wobei der Prozess deutlich verkürzt ist, da Austenitisierung und Härtung entfallen und eine Härte von etwa 950 HV0,1 erreicht wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Austenit durch Mangan- und Stickstoffpartitionierung bei Raumtemperatur während des Nitrierens im interkritischen Phasenbereich stabilisiert werden kann.
Es wird der Einfluss des Plasmanitrierens auf das Gefüge und die Härte eines kürzlich entwickelten 4-Gew.-%-Mittelmanganstahls vorgestellt. Im Gegensatz zu Standard-Vergütungsstählen erreicht der untersuchte Werkstoff sein martensitisches Gefüge durch Luftabkühlung aus der Schmiedewärme, was die Reduzierung des Kohlenstoff-Fußabdrucks der Schmiedeteile ermöglicht. Der Einfluss des Nitrierens auf diese Stahlsorte wurde bisher noch nicht untersucht, doch werden aufgrund der erhöhten Mangankonzentration grundlegende Unterschiede im Vergleich zu Standard-Nitrierstählen erwartet. Um diese Frage zu klären, wurden Nitrierbehandlungen bei verschiedenen Temperaturen (350 °C, 580 °C und 650 °C) durchgeführt und anschließend die Mikrostruktur, die Phasenanteile, die erreichten Härteprofile und die Zugeigenschaften der Matrix nach dem Nitrieren untersucht, begleitet von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen. Es wird gezeigt, dass nach dem Nitrieren bei 580 °C vergleichbare Härteprofile wie bei Standard-Nitrierstählen erzielt werden, wobei der Prozess deutlich verkürzt ist, da Austenitisierung und Härtung entfallen und eine Härte von etwa 950 HV0,1 erreicht wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Austenit durch Mangan- und Stickstoffpartitionierung bei Raumtemperatur während des Nitrierens im interkritischen Phasenbereich stabilisiert werden kann.
Description
Keywords
Plasma nitriding, Medium manganese steels, Surface treatment, Emission reduction, Nitriding, Plasmanitrieren, Stähle mit mittlerem mangangehalt, Oberflächenbehandlung, Emissionsminderung, Nitrieren
Bibliographic citation
Gramlich, A., Auger, M. A. & Richter, S. (2022). Plasma Nitriding of an Air-Hardening Medium Manganese Forging Steel. Journal of Heat Treatment and Materials, 77(4), 298-315.