Aluminium Nitride-containing Steels for High-Temperature Low-Pressure Carburizing Processes

By increasing the temperature at which low-pressure carburizing is performed, the process time for production of case-hardened steels decrease but run a risk of abnormal grain growth occurring during carburizing. Particles present in the steel pin the grain boundaries and can prevent this growth depending on their size and volume fraction. In this report, the grain growth and particle stability in specifically aluminium nitride containing steels are investigated through thermodynamic calculations, precipitation simulations, and mock carburizing in atmospheric- and low pressures. The results show that no or minimal grain growth occurs at lower temperatures and for steels with a higher pinning force from the particles, and that abnormal grain growth happens otherwise. This is consistent with contemporary theory and there is a promising possibility of carburizing at 1000 °C with only small changes in alloy design from current commercial alloys. A theoretical reduction of equilibrium fraction of particles was calculated at low pressures, but the experimental results were not enough to confirm nor deny its existence in practice. For the purposes of alloy design, high combined nitrogen and aluminium content is recommended for sufficient high temperature stability and an optimal ratio of aluminium to nitrogen seems to be just above 2:1. High aluminium does cause a higher coarsening rate of the particles, which needs to be considered should attempts to fully optimize design be made.Genom att höja temperaturen vid lågtrycksuppkolning kan man förkorta processtiden markant för sätthärdade stål, men löper risken att få abnorm korntillväxt under uppkolningsprocessen. Detta kan motverkas genom att inkludera partiklar i stålet som, beroende på storlek och mängd, förhindrar korngränsernas förflyttning. I denna rapport undersöktes korntillväxten och partikelstabiliteten hos specifikt aluminiumnitridhaltiga stål genom uppkolningsliknande värmebehandlingsexperiment i både lågt och atmosfäriskt tryck, samt termodynamiska beräkningar och urskiljningskinetiska simuleringar. Resultaten påvisar att liten eller ingen korntillväxt råder vid låga temperaturer och i stål med hög tillväxtmotverkande kraft från partiklarna, emedan abnorm korntillväxt sker i övriga fall. Detta följer rådande teorier inom ämnet och det tycks finnas möjligheter att lågtrycksuppkola vid 1000 °C med endast små ändringar hos nuvarande legeringar. En teoretiskt möjlig minskning i volymfraktionen partiklar sågs i beräkningar vid lågt tryck, men de experimentella resultaten vid lågt tryck kunde varken bekräfta eller motbevisa dess existens. För legeringsdesignsyften så hjälper en hög halt av både aluminium och kväve med att behålla en hög volymfraktion av partiklar vid hög temperatur och en optimal relation mellan aluminium och kväve tycks vara något över 2:1. Dock så ökar en högre aluminiumhalt förgrovningshastigheten hos partiklarna, vilket bör hållas i åtanke vid legeringsdesign