Effect of vacuum oxy-nitrocarburizing on the microstructure of tool steels: an experimental and modeling study

Abstract

Les traitements thermochimiques des aciers à outils améliorent les performances des composants en ce qui concerne la dureté de surface, l'usure et les performances tribologiques ainsi que la résistance à la corrosion. Par rapport au procédé conventionnel de nitrocarburation ferritique au gaz, l'oxy-nitrocarburation sous vide d'origine est un procédé de gaz rapide, rentable et respectueux de l'environnement. En raison de la nature oxydante de l'atmosphère gazeuse, il n'est pas nécessaire d'effectuer une post-oxydation ultérieure. Dans cette étude, un processus d'oxynitrocarburation sous vide a été effectué sur quatre aciers à outils (AISI H10, H11, H21 et D2) à 570 °C, après durcissement et revenu simple. L'analyse structurelle du composé et des couches de diffusion a été réalisée par des méthodes de microscopie optique et électronique, de diffraction des rayons X et de spectrométrie d'émission optique à décharge luminescente (GDOES). Une couche ε- en grande partie monophasée est formée avec une accumulation de carbone au niveau de la zone adjacente du substrat. Les oxydes superposés adjacents à la phase ε-carbonitrure contenaient Fe3O4 (magnétite) comme constituant principal. Une approche de modélisation thermodynamique a également été réalisée pour comprendre et optimiser le processus. Le « module Equilib » du logiciel FactSage, qui utilise la méthode de minimisation de l'énergie de Gibbs, a été utilisé pour estimer les produits possibles pendant le processus d'oxynitrocarburation sous vide.Los tratamientos termoquímicos de los aceros para herramientas mejoran el rendimiento de los componentes con respecto a la dureza de la superficie, el desgaste y el rendimiento tribológico, así como la resistencia a la corrosión. En comparación con el proceso de nitrocarburación ferrítica de gas convencional, la oxinitrocarburación al vacío original es un proceso de gas de tiempo, rentable y respetuoso con el medio ambiente. Debido a la naturaleza oxidante de la atmósfera de gas, no hay necesidad de realizar una post-oxidación posterior. En este estudio, se llevó a cabo un proceso de oxinitrocarburación al vacío en cuatro aceros para herramientas (AISI H10, H11, H21 y D2) a 570 ° C, después del endurecimiento y templado único. El análisis estructural del compuesto y las capas de difusión se realizó mediante microscopía óptica y electrónica, difracción de rayos X y métodos de espectrometría de emisión óptica de descarga luminiscente (GDOES). Se forma una capa ε- en gran parte monofásica con una acumulación de carbono en el área adyacente al sustrato. Los óxidos superpuestos adyacentes a la fase de carbonitruro ε contenían Fe3O4 (magnetita) como constituyente principal. También se realizó un enfoque de modelado termodinámico para comprender y optimizar el proceso. El "módulo Equilib" del software FactSage, que utiliza el método de minimización de energía de Gibbs, se utilizó para estimar los posibles productos durante el proceso de oxinitrocarburación al vacío.The thermochemical treatments of tool steels improve the performance of the components with respect to surface hardness, wear and tribological performance as well as corrosion resistance. Compared to the conventional gas ferritic nitrocarburizing process, the original vacuum oxy-nitrocarburizing is a time-, cost-effective and environmentally-friendly gas process. Because of the oxidizing nature of the gas atmosphere, there is no need to perform subsequent post-oxidation.In this study, a vacuum oxynitrocarburizing process was carried out onto four tool steels (AISI H10, H11, H21 and D2) at 570 °C, after hardening and single tempering. The structural analysis of the compound and diffusion layers was performed by optical and electron microscopy, X-ray diffraction and glow discharge optical emission spectrometry (GDOES) methods. A largely monophase ε- layer is formed with a carbon accumulation at the substrate adjacent area. The overlaying oxides adjacent to the ε-carbonitride phase contained Fe3O4 (magnetite) as a main constituent. A thermodynamic modelling approach was also performed to understand and optimize the process. The "Equilib module" of FactSage software which uses Gibbs energy minimization method, was used to estimate the possible products during vacuum oxynitrocarburising process.تعمل المعالجات الكيميائية الحرارية لفولاذ الأدوات على تحسين أداء المكونات فيما يتعلق بصلابة السطح والتآكل والأداء القبلي بالإضافة إلى مقاومة التآكل. بالمقارنة مع عملية النيتروكربونات الحديدية للغاز التقليدي، فإن عملية تفريغ الأكسجين والنيتروكربونات الأصلية هي عملية غازية فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. نظرًا للطبيعة المؤكسدة للغلاف الجوي للغاز، ليست هناك حاجة لإجراء عملية ما بعد الأكسدة اللاحقة. في هذه الدراسة، تم إجراء عملية أكسدة كربونية مفرغة على أربعة فولاذ أدوات (AISI H10 و H11 و H21 و D2) عند 570 درجة مئوية، بعد التصلب والتلطيف الفردي. تم إجراء التحليل الهيكلي للمركب وطبقات الانتشار عن طريق الفحص المجهري البصري والإلكتروني، وانحراف الأشعة السينية وطرق طيف الانبعاث الضوئي لتفريغ التوهج (GDOES). تتكون طبقة أحادية الطور إلى حد كبير مع تراكم الكربون في المنطقة المجاورة للركيزة. احتوت الأكاسيد المتراكبة المجاورة لمرحلة ε - carbonitride على Fe3O4 (المغنتيت) كمكون رئيسي. كما تم تنفيذ نهج النمذجة الديناميكية الحرارية لفهم العملية وتحسينها. تم استخدام "وحدة التوازن" لبرنامج فاكتساج الذي يستخدم طريقة غيبس لتقليل الطاقة، لتقدير المنتجات المحتملة أثناء عملية تفريغ الأكسجين.