To investigate the effect of nitriding layer on both fatigue crack initiation and fatigue life, turbine rotor steel ( IC.- 1Mo-0.25V steel) specimens were nitrided by the nitemper method and then put to a rotary bending fatigue test at room and elevated temperatures. In nitriding, temperature and time were controlled to obtain a different nitrided thickness. Microstructure analysis, micro-Victors hardness test, and scanning electron microscope observation were carried out for evaluating experiments. In results, the fatigue cracks of nitrided specimens were initiated at inclusion near the interface between nitrided layer and substrate, which showed fish-eye type appearance in fractograph. The fatigue life of nitrided specimens at every temperature was prolonged compared to that of the non-nitrided. However, there was not observable improvement in fatigue characteristics with the increase of a nitrided thickness.
The fatigue crack initiation behavior of plasma ion nitrided SACM645 steel was investigated through the rotary bending fatigue test and residual stress measurement by XRD. It was shown by XRD and EPMA that the plasma ion nitrided surface was composed of ${\gamma}^{\prime}(Fe_4N)$phase and ${\varepsilon}(Fe_{2-3}N)$phase, and that the nitrogen atoms existed in Fe matrix in diffusion layer. The OM, SEM and Auger spectroscopy showed that the depth of compound layer, mixed compound and diffusion layer, and diffusion layer was $8{\mu}m$, $30{\mu}m$ and $300{\mu}m$, respectively. However, the microhardness test showed that the depth of hardened layer was $500{\mu}m$. The tensile strength of the ion nitrided SACM645 was lower than that of the unnitrided SACM645, and the ion nitrided specimen was fractured without plastic deformation. The nitrided SACM645 showed much poorer low cycle fatigue properties than the unnitrided one. In rotary bending fatigue, the fatigue strength of the ion nitrided SACM645 was higher than that of the unnitrided specimen, and the fatigue crack initiation sites changed by applied fatigue stress levels. The XRD result showed that the ion nitrided SACM645 has the compressive residual stress from surface to $600{\mu}m$ deep and the tensile residual stress from $600{\mu}m$ to deeper site. It is thought that crack initiation takes place at the point where the total stress of residual stress and applied stress is maximum.
The surface characteristics of 13Cr stainless steel systems by plasma nitriding were investigated. The plasma nitriding for the 13Cr steels, in which the nitriding forming elements such as Ti, V, W, Nb, Al, Zr and Si were added about 2~3wt.%, respectively, was performed. In all nitrided specimens, .epsilon.-F $e_{2-3}$N, UPSILON.'-F $e_{4}$N and CrN were detected as the nitrides with the a-Fe in the nitrided layer. VN and .betha.- $W_{2}$N were also detected in 13Cr-3V and 13Cr-3W alloys. The growth of the nitrided layer was controlled by the diffusion process. The thickness of the nitrided layer was similar in the 13Cr-2Nb and 3Zr specimens to that of 13Cr(BM) specimen, while the others exhibited the thinner layer. The activation energy for the growth of the nitrided layer in the temperature range of 773-873K was about 130kJ/mol in 13Cr(BM), 13Cr-2Ti, 3W, 3Al, 3Zr and 3Si alloys. The hardness of the nitrided specimens was significantly increased above Hv1000, comparing to the non-nitrided specimen. The specimens with the nitrided forming elements revealed much higher hardness values and, especially, 13Cr-3Al, 3V and 3Si specimens were significantly hardened up to Hv1300.v1300.0.
Fracture toughness characterization in the transition region is examined for heat-treated and ionnitrided Ni-Cr-Mo steel. After heat treatment for the specimens of Ni-Cr-Mo steel, organizations of specimens-specimens which are heat-treated and ion-nitrided for 4 hours at 500 .deg. C and 5 torr in 25%N/dub 2/-75%H/sub 2/mixed gas-, hardness variety, and X-ray diffraction pattern of the ion-nitriding compound layer are observed. Fracture toughenss test of unloading compliance method were conducted over the regions from room trmperature to -70.deg. C. The compound layer was consisted of r'=Fe/sub 4/N phase and ion-nitrided layer's depth was 200mm from surface. The transition regions of heat-treated and ion-nitrided specimens were about -30.deg. C and -50.deg. C, respectively. The transition region of ion-nitrided specimens is estimated less than that of heat-treated one, and this is the effect of ion-nitriding.
This paper deals with wear characteristics of ion-nitrided metal theoretically and experimentally in order to analysis of wear phenomena. Wear tests show that compound layer of ion-nitrided metal reduces wear rate when the applied wear load is mall. However, as th load becomes large, the existence of compound layer tends to increase wear rate. The residual stress at the surface of ion-nitrided metal is measured, and the internal stress distribution is calculated when the normal and tangential forces are applied to the surface of metal. Compressive residual stress is largeest at the compound layer, and decreases as the depth from the surface increases. Calculation shows that the maximum stress exists at a certain depth from the surface when normal and tangential force are applied, and that the larger the wear load is the deeper the location of maximum stress becomes. In the analysis, it is found that under small applied wear load the critical depth, where voids and cracks may be created and propagated, is located at the compound layer, as the adhesive wear, where hardness is an important factor, is created the existence of compound layer reduces the amount of wear. When the load becomes large the critical depth is located below the compound layer, and delamination, which may be explained by surface deformation, crack nucleation and propagation, is created, and the existence of compound layer increases wear rate.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.1
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pp.142-147
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1998
Rotary bending fatigue tests were carried out on the nitrided titanium in order to investigate the effect of nitriding layer on fatigue limit. Main results obtained are as follows. (1) The fatigue limit of nitrided pure titanium is remarkably reduced because of enlargement of grain size at high heat treating temperature and high stress field created from the elastic interaction in the compound layer. (2) Further test using specimen which was removed nitrified layer gradually, were also conducted and it was found that by removing the compound layer the fatigue limit recovered as the level of basic material and rather increased by coming of a diffusion layer. Therefore it is concluded that the surface compound layer generated by nitriding treatment reduced the fatigue limit but diffusion layer increased it.
The effects of pre-heat treatment(Q/T) on microstructure and hardness of STD11 and STD61 tool steel nitrided by micro-pulse plasma were investigated. The quenching temperature for obtaining matrix hardness of STD11 and STD61 steel on range of HRC 50 to HRC 60 desired for machine parts is about $1070^{\circ}C$ and $1020^{\circ}C$ respectively. The hardness of STD11 and STD61 quenched at the temperature was HRC 63 and HRC 56 respectively. The nitrided case depth of STD11 and STD61 nitrided at $550^{\circ}C$ for 5 hours was independent of pre-heat treatment condition and the depth was approximately $100{\mu}m$. However, hardness and compactness of nitrided layer on Q/T treated specimen were higher than the annealed specimen. The case depth increased linearly with the increase of nitriding temperature, however, the hardness of nitrided layer decreased with the increase of temperature. Phase mixture of ${\gamma}-Fe_4N$ and ${\varepsilon}-Fe_{2-3}N$ was detected by XRD analysis in the nitrided layer formed at the optimum nitriding condition. The optimum nitriding temperature was approximately $490^{\circ}C$ which was $10^{\circ}C$ lower than the tempering temperature for preventing softening behavior of STD11 and STD61 matrix during nitriding process and the surface hardness of nitrided layer obtained by optimum pre-heat treatment condition was about Hv1400.
This study was carried out to investigate the surface characteristics of SCM440 steel nitrided with various nitrogen contents for 7 hours at $520^{\circ}C$ by using micro-pulse plasma nitriding apparatus of hot wall type. The effects of oxidation treatment was also investigated on plasma nitrided in 30% nitrogen and post oxidized SCM440 steel at $500^{\circ}C$ in $H_2O$ atmosphere. The ${\gamma}^{\prime}-Fe_4N$ and ${\varepsilon}-Fe_{2-3}N$ phases were detected in compound layer of the nitrided steel. As the content of nitrogen in plasma gas increased with 30, 50, 70% on the micro-pulse plasma nitriding for SCM440 steel, the thickness of compound, diffusion layer and the surface hardness were increased. From the wear test results, the best wear resistance was appeared in the condition of ductile ${\gamma}^{\prime}-Fe_4N$ phase formed specimen at 30% nitrogen, whereas that of the treated with 50% and 70% nitrogen decreased owing to the exfoliation of brittle ${\varepsilon}-Fe_{2-3}N$ phase in the compound layer. On the nitrided and subsequently oxidized SCM440 steel, the surface layer consisted of $Fe_3O_4$, ${\gamma}^{\prime}-Fe_4N$, and ${\varepsilon}-Fe_{2-3}N$ phases. In these treatments, the dissolution of nitrides affect hardness and hardening depth in compound and diffusion layers. For the nitrided in 30% nitrogen and post oxidized specimen at $500^{\circ}C$ for 1 hour, the wear resistance was lower than that of the only nitrided one in 30% nitrogen but higher than those of the nitrided ones in 50 and 70% nitrogen.
Wear test on two die steels for aluminum die casting was carried out by dipping and rotating the specimens into the molten aluminum maintained $680^{\circ}C{\sim}780^{\circ}C$. The rotating speed of the specimen was $4.5rpm{\sim}20.0rpm$. Diffusion layer was formed between the die steel and molten aluminum, and became thicker with dipping time. Wear rate was not proportional with the thickness of the diffusion layer, but was closely related to the density of the diffusion layer. Wear rate was little affected by the kind of die steel and by the microstructure such as martensite, tempered martensite, and pearlite. Specimen with nitrided surface showed good wear resistance, and its wear rate was decreased with increase in the thickness of nitrided layer. While whole surface was worn in heat treated specimens, wear of nitrided specimens was proceeded by pitting partially.
Scuffing and severe wear of the highly stressed sliding components have been very critical problems in the development of a rotary compressor. In order to improve durability and reliability of the compressor, plasma ion-nitriding was applied on the shaft and the vane surface. The effects of different treatment conditions on the mechanical and tribological properties of the ion-nitrided surfaces were investigated. Ion-nitrided surfaces showed better tribological performances than untreated surfaces. The best wear performance was observed when the shaft was nitrided in the condition of 450$\circ$C, 7 hours, $N_2:H_2=1:4$ gas mixture by forming a ductile nitrided layer which has $\gamma'$ phase microstructure. As nitrogen gas pressure increased, $\varepsilon$ phase layer was formed. This hard phase layer was observed to be more beneficial for the vane in reducing friction and wear.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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