September 2021

Case hardening produces a hard, wear-resistant sur- face or case over a strong, tough core. The principal  forms  of  casehardening  are  carburizing,  cyaniding,  and  nitriding.   Only  ferrous metals  are  case-hardened. Case hardening is ideal for parts that require a wear-resistant surface and must be tough enough interally to withstand  heavy  loading.  The steels best suited for case hardening are the low-carbon and low-alloy series. When high-carbon steels are case hardened, the hardness penetrates the core and causes brittleness. In case hardening, you change the surface of the metal  chemically by introducing a high carbide or nitride  content. The core remains chemically unaffected. When heat-treated, the high-carbon surface responds to hardening, and the core toughens.

Hardening can be enhanced by extremely small precipitates that hinder dislocation motion. The precipitates form when the solubility limit is exceeded. Precipitation hardening is also called age hardening because it involves the hardening of the material over a prolonged time.

1. Solution heat treatment where all the solute atoms are dissolved to form a single-phase solution. 2.  rapid  cooling  across  the  solvus  line  to  exceed  the  solubility  limit.  This  leads  to  a supersaturated solid solution that remains stable (metastable) due to the low temperatures, which prevent diffusion. 3.  Precipitation heat treatment where the supersaturated solution is heated to…

Water: Quenching can be done by plunging the hot steel in water. The water adjacent to the hot steel vaporizes, and there is no direct contact of the water with the steel. This slows down cooling until the bubbles break and allow water contact with the hot steel. As the water contacts and boils, a great amount of heat is removed from the steel. With good agitation, bubbles can be prevented from sticking to the steel, and thereby prevent soft spots. Water is a good rapid quenching medium, provided good agitation is done. However, water is corrosive with steel, and the rapid cooling can sometimes cause distortion or cracking. Salt Water: Salt water is a more rapid quench medium than plain water because the bubbles are broken easily and allow for rapid cooling of the part. However, salt water is even more corrosive than plain water, and hence must be rinsed off immediately. Oil: Oil is used when a slower cooling rate is desired. Since oil has a very high boiling point, the transition from start of Martensite formation to the finish is slow and this reduces the likelihood of cracking. Oil quenching results in fumes, spills, and sometimes a fire hazard.

Hardness is a function of the Carbon content of the steel. Hardening of a steel requires a change in structure from the body-centered cubic structure found at room temperature to the face- centered cubic structure found in the Austenitic region. The steel is heated to Autenitic region. When suddenly quenched, the Martensite is formed. This is a very strong and brittle structure. When slowly quenched it would form Austenite and Pearlite which is a partly hard and partly soft structure. When the cooling rate is extremely slow then it would be mostly Pearlite which is extremely soft. Usually when hot steel is quenched, most of the cooling happens at the surface, as does the hardening. This propagates into the depth of the material. Alloying helps in the hardening and by determining the right alloy one can achieve the desired properties for the particular application.

Is a process done subsequent to quench hardening. Quench-hardened parts are often too  brittle.  This  brittleness  is  caused  by  a  predominance  of  Martensite.  This  brittleness  is removed by tempering. Tempering results in a desired combination of hardness, ductility, toughness, strength, and structural stability. Tempering is not to be confused with tempers on rolled stock-these tempers are an indication of the degree of cold work performed. The mechanism of tempering depends on the steel and the tempering temperature. The prevalent Martensite is  a somewhat  unstable structure.  When  heated,  the Carbon  atoms  diffuse from Martensite to form a carbide precipitate and the concurrent formation of Ferrite and Cementite, which is the stable form. Tool steels for example, lose about 2 to 4 points of hardness on the Rockwell C scale. Even though a little strength is sacrificed, toughness (as measured by impact strength) is increased substantially. Springs and such parts need to be much tougher — these are tempered to a much lower hardness. Tempering is done immediately after quench hardening. When the steel cools to about 40 ºC (104 ºF) after quenching, it is ready to be tempered. The part is reheated to a temperature of 150 to 400 ºC (302 to 752 ºF). In this region a softer and tougher structure Troostite is formed. Alternatively, the steel can be heated to a temperature of 400 to 700 ºC (752 to 1292 ºF) that results in a softer structure known as Sorbite. This has less strength than Troostite but more ductility and toughness. The heating for tempering is best done by immersing the parts in oil, fortempering upto 350 ºC (662 ºF) and then heating the oil with the parts to the appropriate temperature. Heating in a bath also ensures that the entire part has the same temperature and will undergo the same tempering. For temperatures above 350 ºC (662 ºF) it is best to use a bath of nitratesalts. The salt baths can be heated upto 625 ºC (1157 ºF). Regardless of the bath, gradual heating is important to avoid cracking the steel. After reaching the desired temperature, the parts are held at that temperature for about 2 hours, then removed from the bath and cooled in still air.

Is an annealing process used for high carbon steels (Carbon > 0.6%) that will be machined or cold formed subsequently. This is done by one of the following ways: Heat  the  part  to  a  temperature  just  below  the  Ferrite-Austenite  line,  line  A1   or  below  the Austenite-Cementite line, essentially below the 727 ºC (1340 ºF) line. Hold the temperature for a prolonged time and follow by fairly slow cooling. Or Cycle multiple times between temperatures slightly above and slightly below the 727 ºC (1340 ºF) line, say for example between 700 and 750 ºC (1292 – 1382 ºF), and slow cool. Or For tool and alloy steels heat to 750 to 800 ºC (1382-1472 ºF) and hold for several hours followed by slow cooling. All these methods result in a structure in which all the Cementite is in the form of small globules (spheroids)  dispersed  throughout  the  ferrite  matrix.  This  structure  allows  for  improved machining in continuous cutting operations such as lathes and screw machines. Spheroidization also improves resistance to abrasion.

Is used to reduce residual stresses in large castings, welded parts and cold- formed parts. Such parts tend to have stresses due to thermal cycling or work hardening. Parts are heated to temperatures of up to 600 – 650 ºC (1112 – 1202 ºF), and held for an extended time (about 1 hour or more) and then slowly cooled in still air.

Is used to treat work-hardened parts made out of low-Carbon steels (< 0.25% Carbon). This allows the parts to be soft  enough to undergo further cold working without fracturing.  Process  annealing  is  done  by raising  the  temperature  to  just  below  the  Ferrite- Austenite region, line A1on the diagram. This temperature is about 727 ºC (1341 ºF) so heating it to about 700 ºC (1292 ºF) should suffice. This is held long enough to allow recrystallization of the ferrite phase, and then cooled in still air. Since the material stays in the same phase through out the process, the only change that occurs is the size, shape and distribution of the grain structure. This process is cheaper than either full annealing or normalizing since the material is not heated to a very high temperature or cooled in a furnace.

Is the process of raising the temperature to over 60 º C (108 ºF), above line A3 or line ACM fully into the Austenite range. It is held at this temperature to fully convert the structure into Austenite, and then removed form the furnace and cooled at room temperature under natural convection. This results in a grain structure of fine Pearlite with excess of Ferrite or Cementite. The resulting material is soft; the degree of softness depends on the actual ambient conditions of cooling. This process is considerably cheaper than full annealing since there is not the added cost of controlled furnace cooling.