Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface...

22
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | | 1 Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening

Transcript of Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface...

Page 1: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Module 37

Surface hardening

 

 

Lecture 37

Surface hardening  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Keywords : Non‐uniform properties in engineering components, methods of surface hardening, shot 

peening, hard facing, induction hardening, surface modification by diffusion, carburizing, post 

carburizing heat treatment, core refining, case hardening, origin of residual stress, nitriding, Fe‐N phase 

diagram, effect of surface hardening on fatigue resistance of engineering components 

Introduction  The  last  six  lectures were devoted  to heat  treatment of  steel. We have  seen  that hardening 

followed  by  tempering  gives  the  best  combination of  strength  and  toughness.  Formation  of 

martensite is primarily responsible for the development of very high strength in steel. However 

you need to cool a component made of steel very fast to get martensite both at its surface and 

at  its centre. Although  it may be rather easy to achieve a high cooling rate at the surface but 

maintaining  a  high  cooling  rate  at  the  centre may  be  extremely  difficult  particularly  if  the 

section  size of  the component  is  large. Therefore  the microstructure at  the centre of a  thick 

section is likely to be different from that at its surface. There are several applications where we 

do not need uniform microstructure or property across the section. For example components 

like turbine shaft, gear, spindle and axle need to have a hard surface but a soft core. In general 

high strength means  low toughness.  If the section size of a component  is too high to be  fully 

hardened we may  still have  a  soft  core.  It might  be  one of  the methods  of  fulfilling  such  a 

criterion.  There  are  several  other ways  the  strength  or  the  hardness  of  the  surface  can  be 

increased without adversely affecting  the  toughness of  the core. Some of  the most common 

techniques are as follows: 

Induction hardening 

Case carburizing + case hardening 

Nitriding 

Shot peening 

Hard facing, coating or surface alloying 

In  this module we  shall  learn  about  some of  these.  The properties of  steel or  any other 

engineering material depend a great deal on the processing route that  is  followed and  its 

composition.  For  example we  know  that  cast metals  have  coarse  inhomogeneous  grains 

with preferred orientation.   Subsequent processing consisting of homogenization,  forging, 

rolling  and  annealing  may  result  in  a  uniform  fine  grain  structure  having  isotropic 

properties. As a result there may be a substantial improvement in its strength and ductility. 

In the case of steel the possible options are much more varied.  In short all materials may 

have  an  inherent  base  property  or microstructure which  can  be  altered  or  improved  by 

adopting  an  appropriate  processing  route.  The  performance  of  a  component  depends 

Page 3: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

primarily on the properties of the material of which it is made.   The interrelation between 

the four is best described by the tetrahedron shown in fig 1.  

 

Non‐uniform properties in engineering components:  It is extremely difficult to have a uniform microstructure within a material unless it is extremely 

thin.  This  is because  the evolution of microstructure within  a material depends on  the  local 

processing parameters. Often it is difficult to maintain identical conditions at every point within 

a material unless  it  is extremely thin. The effect  is more pronounced  in the case of steel that 

goes through a solid state transformation during cooling. The cooling rate within a component 

is a strong function of its section size. It is impossible to maintain identical cooling rate within a 

component  of  finite  dimension.  Therefore  we  have  to  live  with  non‐uniform  properties  in 

engineering  components  since  it  cannot  be  avoided  in  components of  reasonable  thickness. 

This is illustrated with the help of an example in slide 1. 

Steel  I beam  is one of  the most common structural components. A cross section of  I beam  is 

shown in slide 1. Its flange which is highly stressed is thick but its web where the stress is not so 

high is relatively thin. I beams are made by hot rolling at a temperature while the structure of 

steel is austenite. On completion of rolling I beam is allowed to cool in air. The average cooling 

curves of the flange and the web of the beam have been super imposed on the CCT diagram of 

0.2%C steel.  The cooling rate within the web is a little faster than that in the flange. Therefore 

the microstructure of  the web  is  likely  to be  finer  than  that  in  the  flange.  It  is  likely  to have 

relatively  less %ferrite but more %pearlite  in  comparison  to  those  in  the  flange.  The web  is 

therefore  expected  to  be  stronger  than  the  flange  although  it  is  not  necessary  to make  it 

Fig 1: Tetrahedron showing the interrelation between material, its processing route and its 

property on the performance of a component. 

Processing: 

micrstructure

Material 

 Properties 

Performance 

Page 4: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

stronger. Here is an application where the differential properties of an engineering component 

are not being properly exploited. There are several other uses where intentionally the structure 

of  the material  is altered either by  local change  in composition or by  local deformation or by 

adopting differential cooling  rates at different places  so as  to  improve  its performance as an 

engineering component. We would look at a few such examples. 

Non uniform properties in engineering components

flange

I beam

web

Web: least stressed: thin

Flange: high stress: thick

I Beam: hot rolled sections

% C ~ 0.2Case: where we have to learn to live with it. Surface hardening:

exploit such features.Which is stronger ?

T

time

webFlange

Ms

+ M

A3

A1

+ P

 

 

Surface hardening:  why & how?  Components like gear, shaft or spindle need a hard / wear resistant surface but a soft / tough 

core.  Section  size of  such  components  is often  too  large  to be uniformly hardened  even on 

severe quenching. More over the time lag between the transformations at the surface and the 

core results  in an unfavorable  tensile residual stress at  the surface. Recall  the general  thumb 

rule  that  the  region  that  transforms  later  is  likely  to  have  compressive  residual  stress.  The 

surface  is  likely to transform first  in steel having the same composition all through  its section. 

Therefore surface would have residual tensile stress. Depending on its magnitude it may lead to 

cracking or distortion. The presence of residual tensile stress is also harmful as it would reduce 

fatigue life of critical components like turbine shaft or landing gear of an aircraft. The purpose 

of surface hardening is to develop a hard surface with compressive residual stress, to improve 

its wear  resistance,  to  increase  its  fatigue  life  and  to  avoid  susceptibility  to  distortion  and 

cracking. The most commonly used methods of surface hardening are as follows: 

Slide 1 

Page 5: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

• Shot peening: general applicable to all metals • Coating / hard facing  • Surface (local) heating & cooling: steel • Surface diffusion & subsequent treatment 

 Shot peening:  Shot  peening  technique  is  applicable  to  all metals  and  alloys  that  are  amenable  to  plastic 

deformation.  The  part  to  be  hardened  is  placed  in  a  chamber  where  extremely  fine  hard 

particles moving at a high speed keep striking at its surface. The energy of the moving particles 

is high enough  to cause  local plastic deformation at  its  surface. The  stress on  the material a 

little beneath the surface is not high enough to cause plastic deformation. However it would be 

under elastic stress as long as the shot peening process continues. When it stops residual stress 

would develop at the surface because of the elastic recovery that occurs  in the region a  little 

beneath  the  surface.   Proper control on  the process parameters  such as  the particle  size,  its 

kinetic  energy,  the  angle  of  incidence  and  the  time may  be  necessary  to  develop  favorable 

residual  stress pattern  at  the  surface.  It  is  compressive  in nature.  Therefore  it would  inhibit 

crack  initiation.  Landing  gears of  aircrafts  are  subjected  to  shot peening  to develop  residual 

compressive stress on  its surface. Even automotive gears, following carburizing, are subjected 

shot peening to raise the value of compressive residual stress (to as high as 1000 – 1200 MPa), 

particularly at depths of 30 – 40 microns. This help resist crack propagation during service as 

result of fatigue loading. 

Hard facing:  Engineering components that are required to resist solid particle erosion, abrasion, fretting or 

cavitation are usually given a hard  surface  coating. This  consists of a  fine dispersion of hard 

metal  carbides  in  a  compatible  metal  matrix.  Thermal  spray  is  the  most  commonly  used 

technique to apply such coatings on the component. There are specially designed setups with 

spray guns  that  suck  the  coating material along with oxygen and  fuel gas  that  ignites  into a 

flame  to  melt  the  matrix  of  the  coating  material  while  it  deposits  on  the  surface  of  the 

component. The most commonly used coating materials are mixtures of chromium or tungsten 

carbides in either cobalt or nickel‐chromium alloy matrix. Hard facing is also a commonly used 

technique to salvage worn out parts so that they could be reused. 

Induction hardening: a method based on local heating followed by cooling:  This  is  applicable  only  for  steel.  An  induction  coil  is  used  to  heat  the  component  to  be 

hardened. Only  the  surface gets heated.  Its microstructure  transforms  into  austenite  from  a 

mixture of ferrite and cementite, but the structure of the core remains intact as it remains cold 

Page 6: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

all  through  the  process.   Once  the  temperature  of  the  surface  attains  a  specified  level  the 

power  is switched off and  the  job  is cooled  rapidly by quenching  it  in water. Heat extraction 

rate  is much  faster than that  in a conventional hardening process. This  is because only a thin 

region near the surface of the component gets heated. The total amount of heat stored  is so 

less  that  it  can be easily extracted by  the quenching medium. The  centre of  the  component 

does not get heated at all. The cold core acts as a sink for the heat stored within the thin region 

near  the  surface.  Thus  it  also helps  attain  a  very high  cooling  rate  at  the  surface. Once  the 

process  is complete the microstructure of the surface gets transformed  into martensite while 

that  at  its  core  remains  unaltered.  Induction  heating  is  extremely  fast  and  the  time  the 

component  spends  above  A3  temperature  is  very  short.  Therefore  to  ensure  complete 

transformation of ferrite to austenite the peak temperature should be a  little higher than the 

normal austenitizing  temperature used  for  conventional hardening heat  treatment. The  total 

time spent above A3 may still not be  long enough to have homogeneous austenite within the 

entire hot section. The composition of martensite nucleating in inhomogeneous austenite may 

vary.   Therefore hardness of  induction hardened  steel  component may often be higher  than 

that  in  through hardened  steel having  identical  composition. One of  the main advantages of 

induction hardening is good surface finish and little distortion. It can be applied to all grades of 

steel. Alloy addition is not necessary. Induction hardening is very effective for surface hardening 

of plain  carbon  steel having 0.35‐0.70%C. The  salient  features of  induction hardening  are  as 

follows:    

• Heat the surface to a temperature above A3 (austenitic region) • Core does not get heated : the structure remains unaltered • Surface converts to martensite on quenching. • Fast heating & short hold time: needs higher austenization temperature • Martensite forms in fine inhomogeneous grains of austenite  • Applicable to carbon steels (0.35 – 0.7C) • Little distortion & good surface finish  

 

Page 7: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

 

Induction hardening

Place the job inside an induction coil & pass high frequency ac. Surface gets heated due to skin effect.

Heating: local surface near the coil gets heated

d

= resistivity

= frequency

= magnetic permeability

Higher frequency: lower depth of hardening (d).

On quenching only surface becomes martensite.

High AC

Job

Coil

    

Slide 2 shows with the help of a diagram the setup needed for induction hardening. It consists 

of a high frequency AC power source and water cooled induction coil surrounding the job to be 

hardened. Only  the  surface  gets  heated  due  to  skin  effect.  The  expression  for  the depth  of 

penetration of  the  field  is given  in slide 2.  It depends on  the  frequency of power source,  the 

resistivity  (increases with  temperature)  and  the magnetic permeability of  steel  (It decreases 

significantly as the temperature goes beyond Curie point). There will be a sudden increase in d 

as  the  temperature  goes  beyond  750°C.  The  only  parameter  that  can  be  controlled  is  the 

frequency. Higher  the  frequency  lower  is  the depth of penetration. You  could  select a  lower 

frequency to get a higher depth of hardening.  

 

Slide 2

Page 8: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Structure & properties

Spheroidising annealing

Cm globules in matrix

Plate (HC) martensite

Needs tempering

T

%C time

T

Much higher austenitization time required as hold time is short

T for Sph Ann

Spheroidising annealing is done before induction hardening

Hard surface & tough core. Compressive residual stress at

surface & tensile at core

Grain growth

Homogeneous austenite

 

Slide 3 explains with the help of a set of diagrams what should be the  ideal microstructure at 

the surface (or the case) and the core of a component and how these can be attained. The case 

preferably should have high carbon martensite to ensure the maximum possible hardness. The 

core  on  the  other  hand  should  have  globular  cementite  in  a matrix  of  ferrite.  This  is  the 

structure that has the highest toughness. Such a microstructure can be developed  in steel by 

prolonged  soaking  (thermal  exposure)  at  a  temperature  a  little  below  A1  (eutectoid 

temperature). The process  is known as spheroidising annealing. The appropriate temperature 

range  for  spheroidising  annealing  has  been marked  on  the  phase with  the  help  of  a  filled 

rectangle. It denotes the range of temperature and composition of steel suitable for induction 

hardening.  If  the  temperature  keeps  oscillating  around  A1  the  process  of  spheroidization  is 

faster. Spheroidizing annealing should always precede induction hardening.  

The peak temperature to be used for  induction hardening of eutectoid steel has been marked 

with the help of a solid (filled) circle on the phase diagram given in slide 3.  This is much higher 

than 760°C. There is a time temperature transformation diagram for austenitization just beside 

the phase diagram in slide 3. Note that the hold time at this temperature is not long enough to 

form homogeneous austenite. It means %C in austenite may not be the same at all places. This 

suggests that on quenching, martensite would nucleate within  inhomogeneous austenite. This 

is accompanied by volume expansion. However the core beneath it would not let it happen. As 

a result there residual compressive stress would develop at the surface. This inhibits nucleation 

of surface crack. However martensite is brittle. It may be surrounded by retained austenite as 

well. Therefore induction hardening must be followed by tempering.  

Slide 3 

Page 9: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

 

Surface diffusion & subsequent treatment:  The main  objective  of  surface  hardening  is  to  have  a  hard  surface  but  a  soft  core.  Recall  that  the 

hardness of steel depends only on the concentration of carbon in steel. Therefore it may be enough to 

have high carbon only at the surface. This can be achieved by increasing the concentration of carbon in a 

component made of low carbon steel by allowing carbon to diffuse into it. The rate at which carbon can 

diffuse depends on its concentration gradient and its diffusivity in steel.  A high concentration gradient 

can be maintained only  if there  is a significant difference  in the concentration of carbon at the surface 

and the core. A high temperature would certainly ensure high diffusivity. One of the ways to achieve this 

is to heat  low carbon steel (< 0.2%C) kept  in a packed bed to around 1000°C. The process  is known as 

pack  carburizing.  The  basic  principles  of  the  process  have  been  explained  with  the  help  of  a  few 

diagrams in slide 4.  The sketch (a) shows what would be best temperature for carburization. There are 

two dotted horizontal lines on the same sketch. These are labeled as T1 and T2. Note that %C in steel is 

C0.  At  room  temperature  its microstructure  consists  of  ferrite  and  pearlite. When  it  is  heated  to  T1 

pearlite transforms into austenite. The sample now consists of ferrite and austenite. Out of the two the 

ferrite  is  saturated with  carbon.  It  is  impossible  to maintain  any  concentration  gradient  between  its 

surface and  its centre. However the austenite  in  low carbon steel at this temperature  is not saturated 

with carbon. C1 denotes the likely difference in %C that can be maintained at T1. The microstructure of 

low carbon steel at T2  is 100%austenite. The solubility  limit of carbon  in austenite  is much higher than 

C0. C2 denotes the likely difference in %C that can be maintained at T2. C2 is much greater than C1. Therefore selection of T2 as the carburization temperature is more appropriate. 

Pack carburizing: LC steel

85% char coal + 15% energizer

BaCO3 = BaO + CO2

CO2 + C = 2 CO

2 CO = C (Fe) + CO2

CS : Function ( Temp)

Depth: F (T,t)

T

%C CS

T1

C0

%C

x

CS

C0

t

(a) (b)

(c)

(d)

A1

A3

+ cm

SampleT2

C2

C1

 

Slide 4

Page 10: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

10 

The sketch (b) in slide 4 shows a schematic representation of how the sample is placed within a mixture 

of BaCO3  (energizer) and char  coal. At 1000°C,  the  carburization  temperature, BaCO3 decomposes  to 

give CO2.  In  the presence of  excess  carbon CO2  is  converted  into CO which  later decomposes  in  the 

presence of Fe  leaving a  film of nascent  carbon on  the  surface of  the  steel  component. This 

reacts with Fe in steel to form Fe3C. The concentration of carbon in austenite near the carbide 

layer  is given by  the phase diagram.  In  this case  it  is CS.  It  is a  function of  temperature. The 

sketch (c) gives a schematic map showing carbon concentration gradient. The sketch (d) gives 

the expected concentration versus distance (x: from the surface to the centre) plots at T2. It is a 

function of both temperature (T) and time (t).  

Carburization depth

0

0

0

2

exp

(0.5) 0.5

S

C

C C xerf

C C Dt

QD D

RT

erf

x Dt

xCS C0

CS

C0

xd

Problem: T=927 C, t=10hrs, C0=0.2, D0= 0.7x10-4

m2/s Q=157 kJ/mole, CS=1.2 Estimate x. erf(z) = z

(a)

(b)

 

Slide 5 describes a method of estimating  the concentration of carbon  in a  steel  specimen as 

function of distance  from  its  surface. At  the  carburization  temperature  the  concentration of 

carbon  at  the  surface  is maintained  at CS whereas  far  away  from  the  surface  it  is C0.  It  can 

therefore  be  visualized  as  a  semi‐infinite  diffusion  couple  as  shown  in  sketch  (a).  The 

concentration  profile  at  any  instant may  be  described  by  Fick’s  second  law  of  diffusion  as 

shown in equation 1.  

0, 0 ∞, 0         (1) 

The  solution  of  Fick’s  equation  is  given  in  slide  5.  The  sketch  (b)  in  slide  5  describes  the 

concentration of carbon as  function of distance at a given  instant of  time.    It also defines an 

effective  diffusion  distance  d.  It  corresponds  to  the  distance  at which  the  concentration  of 

carbon (C) is given by 

Slide 5

Page 11: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

11 

                   (2) 

On substitution of equation 2 in the expression for the concentration profile given  in slide 5  it 

can be shown that the effective diffusion distance d is given by: 

√                            (3) 

Where Q = activation energy, R = universal gas constant. It suggests that different combination 

of  temperature  and  time  can  give  identical  effective  diffusion  distance.  The  temperature  of 

carburization is usually within 950°‐1000°C and the time is around 8‐9hours. Figure 2 shows the 

concentration  of  carbon  and  microstructure  of  steel  specimen  on  air  cooling  after  pack 

carburization. 

 

A thin layer of carbide may form at the surface which is in contact with the carburizing mixture. 

This  helps  maintain  %C  in  austenite  at  a  fixed  level  (CS).  Its  magnitude  depends  on  the 

temperature of carburization.  It may be around 1.2%  just beside the thin carbide  layer. There 

after it decreases as you move towards the centre. A typical plot describing how %C would vary 

from  the  surface  to  the  centre  is  also  given  in  fig  2. Apart  from  CS & C0  it  depends  on  the 

temperature and the time.   

  

%C 

x C0 

Cs 

2

Thin cm layer P 

6.67 

P + cm network 

P +  network 

Initial structure 

P  

Fig 2: Shows  the concentration of carbon & microstructure as a function  of  distance  in  a  case carburized steel sample. 

Page 12: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

12 

Gas / liquid bath carburizing:  A major limitation of pack carburizing is poor control over temperature & carburization depth. 

On completion of the process the steel parts are cooled slowly. Direct quenching is not possible 

as  the  job  is  surrounded by  carburizing mixture packed  in  a  sealed box having high  thermal 

mass. This can be overcome by using gaseous or liquid carburizing medium.  

Gas carburization is done by keeping the samples at the carburizing temperature for a specified 

time  in a  furnace having a mixture of  carburizing and neutral gas. CH4 and CO are  the most 

commonly used carburizing gas. It is usually mixed with de‐carburizing (H2 and CO2) and neutral 

gases  (N2). This helps maintain a close control over carbon potential.  It  should be enough  to 

maintain %C at in the range 1.0‐1.2% at the surface. High concentration of CH4 / natural gas and 

high  velocity  should  be  avoided.  In  the  presence  of  Fe  the  carburizing  gases  decompose  to 

produce nascent carbon that diffuses into steel. 

CH4 = C (Fe) + 2H2  

2CO = C (Fe) + CO2  

It provides excellent control over the furnace temperature and atmosphere (carbon potential). 

Samples after carburization can be directly quenched.  

Liquid carburization is done by keeping the job in a salt bath consisting of ~8% NaCN + 82 BaCl2 

+ 10 NaCl.  It allows precise  temperature control and  rapid heat  transfer. Carburization  takes 

place  due  to  the  formation  of  nascent  carbon.  The  chemical  reactions  that  occur  in  the 

presence of Fe are as follows:

BaCl2 + NaCN = Ba(CN)2 +NaCl  

Ba(CN)2 = C (Fe) + BaCN2 

The sample can be quenched immediately after carburization. 

Post carburizing heat treatment:  Carburization  is often done at a much higher temperature  than  those used during hardening. 

This is primarily to hasten the process. However the exposure to such a high temperature may 

give  rise  to very  coarse austenite grains. This on  subsequent  transformation  is  likely  to have 

adverse effects on the ductility and the toughness of the core. To get the best combination of 

hard case & tough core multiple stages of heat treatment may be necessary. These are known 

as: 

Core refining  

Page 13: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

13 

Case hardening  Core refining: Core  refining  consists  of  heating  a  case  carburized  component  to  the  normal  hardening 

temperature corresponding to the carbon content of its core. This is around 30°‐ 40°C above A3. 

Usually  %C  in  the  core  is  around  0.2%  whereas  that  at  its  case  is  around  1.0%.  At  this 

temperature the core should consist of 100% fine homogeneous austenite. The structure of the 

case during this stage would depend on  its carbon content. Figure 3 may help you predict  its 

structure during  the core  refining stage of  the process.  In  this case  the microstructure would 

consist of austenite and cementite. After carburization the case is likely to have a structure of 

consisting of brittle cementite network surrounding pearlitic regions. This  type of structure  is 

susceptible to brittle failure. Therefore it is undesirable. During core refining the pearlite in the 

case transforms into austenite and most of the pro‐eutectoid cementite present may dissolve in 

it. The continuous network of carbide breaks down into dispersed particles of irregular shapes 

which  subsequently  transform  into  globules  (spheroids).  The  main  driving  force  for  the 

conversion of the shape of the carbide  is the reduction of its surface energy (surface area per 

unit volume).  

 

After core refining the components are quenched. This is necessary to prevent the formation of 

brittle  network  of  carbide  in  the  case.  The  austenite  in  the  case  has  a  much  higher 

concentration of carbon than that in its core. Its Mf temperature is likely to be lower than room 

temperature. Only a part of it may convert into martensite. Therefore the microstructure of the 

case after quenching should consist of high carbon martensite, retained austenite and globules 

of un‐dissolved cementite.  The microstructure of the core would depend on several factors like 

section size of the component, quenching severerity (H), the composition or the hardenability 

of steel. In the case of plain carbon steel it is likely to be a mixture of ferrite, fine pearlite and 

martensite whereas in the case of alloy steel it might consist of low carbon martensite. 

Page 14: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

14 

The need for an additional heat treatment adds to the cost of the final product. Core refining is 

necessary  to  restore  the  initial  fine  grain  structure  in  this  zone before  carburizing  so  that  it 

regains its toughness. The current trend in industrial carburizing is the adoption of very high ( ~ 

1030  deg.  C  )  temperature  in  order  to  drastically  reduce  the  time  and  have  very  high 

productivity. In this case, the grain size of austenite increases excessively. To avoid the same, a 

small amount of Nb ( ~ 0.04) is added these steel. The presence of NbC at prior austenite grain 

boundaries prevents excessive grain growth during carburization. Therefore these steel do not 

need this additional heat treatment. 

Case hardening: 

The main  purpose  of  this  stage  is  to  harden  the  case.  Therefore  the  component  after  case 

refining  is heated to 30° – 40°C above A1  (see  fig 3). At  this temperature the case consists of 

austenite and globules of un‐dissolved carbide. The structure of  the core during  this stage of 

heat  treatment  should  have  ferrite  and  austenite.  The  concentration  of  carbon  in  austenite 

should  be  the  same  as  that  of  the  eutectoid.  After  proper  soaking  at  this  temperature  the 

component  is  quenched.  The  case  on  quenching  should  consist  of  (mostly) martensite,  un‐

dissolved carbide and a little retained austenite. The core on the other hand may have mostly 

ferrite with islands of high carbon martesite.  

Tempering: 

After  case  hardening  the  components must  be  tempered.  This  gives  better micro‐structural 

stability.  The  high  carbon matersite  both  in  the  case  and  in  the  core  transforms  into more 

stable  low  carbon  martenste  and  carbide.  The  retained  austenite  too  decomposes  into  a 

Fig  3:  Shows  the  temperature  at which  core  refining 

(CR)  is done.  It  is  converted  into 100%  fine austenite. 

The  case  too  is  exposed  to  the  same  temperature.  It 

may consist of either 100% fine austenite or a mixture 

of austenite and  cementite. This would depend on  its 

carbon  content.  In  this  case  it  should be a mixture of 

austenite and cementite. On quenching the austenite in 

the  case would  transform  into martensite  although  a 

part  may  remain  untransformed.  It  would  also  have 

globules  of  carbides.  The  core  may  transform  into 

martensite  if  the  hardenability  of  steel  is  high. 

Otherwise  it may  consist  of  ferrite,  fine  pearlite  and 

martensite. 

+ cm 

+  + cm 

A1 

0 %C 

HT 

Carburizing 

temperature 

Core  Case 

CR 

CH 

Page 15: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

15 

mixture of ferrite and carbide. The decomposition of austenite is accompanied by an expansion 

in volume. This may have adverse effects on the performance of the component. Therefore  it 

must be removed by tempering before it is put into service. 

 

T

% C

T0

MsMf

CoreCase

CR

CH

Phase diagram helps in the selection of proper

temperatures for CR & CH

DQFine grain steel

Pack carb

carb

T

CHCR

time

T

Carb

Gas / liquid carb

 

Case  hardening  by  pack  carburizing  and  subsequent  stages  of  hardening  is  a  long  drawn 

process.  It  does  not  allow  fast  cooling  (quenching)  after  carburization.  This  results  in  the 

formation of a brittle network of cementite in the case. Apart from this the core consists of very 

coarse  austenite  grains  because  of  the  prolonged  thermal  exposure  at  the  carburizing 

temperature.  This  may  adversely  affect  the  ductility  and  the  toughness  of  the  core.  This 

problem can be avoided by resorting to liquid or gas carburizing process. Both of these provide 

a much better control on  the parameters  (temperature and activity of carbon at  the surface) 

affecting the kinetics of carburization. The main advantage of this process is that it allows direct 

quenching. It means the component can be hardened by a single stage process if liquid or gas 

carburizing method  is  adopted.  Slide  6  shows  a  set  time  temperature  diagrams  for  the  two 

carburizing processes. The main reason for the core refining heat treatment was to restore fine 

austenitic grain structure within the core. This can be avoided by selecting inherently fine grain 

steel for case carburizing treatment. These are aluminum killed steel. It has fine globular oxides 

of  aluminum  at  its  grain  boundaries.  This  prevents  austenite  grain  growth  during  the 

carburizing stage of the heat treatment. The grain growth  is also  inhibited by the presence of 

very small amounts of strong carbide  formers  like Nb, V, and Ti.   Use of  inherently  fine grain 

steel may make  core  refining process  redundant. Therefore gas or  liquid  carburizing process 

may be used as a single step case hardening method.  

Slide 6 

Page 16: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

16 

Origin of compressive residual stress at the surface:  One of  the main  reasons  for case hardening  is  to develop compressive  residual  stress at  the 

surface  of  components  that  are  subjected  to  fatigue  loading.  The  volume  expansion  that 

accompanies  austenite  to  martensite  transformation  is  primarily  responsible  for  the 

development of residual stress  in steel on quenching. A general thumb rule  is that the region 

that transforms  last has a compressive stress. In the case of a carburized steel there  is a  large 

difference in the concentration of carbon at the surface and that at the centre. The Ms and Mf 

temperatures of the two regions are widely different (see fig 4).  The difference is so large that 

all though the surface on quenching cools faster it transforms to martensite later than the core. 

This is explained with the help of schematic diagrams in fig 6. 

 

Figure  6  clearly  shows  that  although  the  surface  cools  faster  it  transforms  completely  into 

martensite much later than the core.  Since it transforms last it should be under compression. 

This is the reason why case hardened components have compressive residual stress.  

Nitriding:  If  steel  is  heated  in  an  environment  of  cracked  ammonia  it  picks  up  nitrogen. Nitrogen  like 

carbon forms interstitial solid solution with iron. If it is present in excess it forms nitride (Fe4N). 

Log (time) 

Ms 

Mf Ms 

Mf 

Ms 

Mf 

%C  %C case %C core 

Fig 6: The sketch on the left shows the cooling curves at the case and at the core of a component 

on direct quenching from the carburization temperature. The sketch on the right shows the effect 

of %C on Ms and Mf temperatures. %C at the case is much higher than that at the core. Therefore 

its Ms and Mf temperatures are much lower than that of the core. 

Page 17: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

17 

It  is extremely hard and brittle. However  if  it remains as a dispersed phase within a matrix of 

ferrite or martensite it increases the hardness of steel significantly. Slide 7 explains the process 

of nitriding with the help of a set of diagrams. The sketch on the left shows the temperature to 

which hardened  steel  is heated.  It  is below  the  lower  critical  temperature. Nascent nitrogen 

that forms at the surface of steel as ammonia comes in contact with Fe. This diffuses into iron 

lattice and form nitride as and when the amount of nitrogen in steel exceeds its solubility limit. 

The presence of alloying elements having high affinity for nitrogen  increases nitrogen pick up. 

The  formation of nitride within  the matrix results  in a substantial  increase  in  the hardness of 

steel. The sketch on the right shows the location of a brittle Fe4N layer. This is extremely hard 

and brittle. As you move away from it the amount of nitride goes on decreasing. The hardness 

too  decreases with  distance  as  shown  in  the  same  diagram.  The  preferred  thickness  of  the 

hardened  layer  is  around  20m.  The hardness of  the nitride  layer  is usually  in  the  range of 

1000‐2000Hv.  

Nitriding

Nitriding treatment: done in ferritic region. No phase transformation. Hardness of thin surface layer ~ 20

m can be in the range 1000-2000 VHN.

600 500

Fe4N

NH3 = 2N (Fe) + 3H2

Brittle white layer (Fe4N) is very hard. Can be removed by lapping. It is detrimental. Can be avoided by controlling process parameters.

VH

N

cm

cm

A3

A1

x

 

The  formation of  the brittle  layer should be avoided.  It  is also known as  the white  layer.  It  is 

detrimental. It is prone to cracking. It can be removed by grinding or lapping. Its formation can 

also be suppressed by proper control over the process parameter such as the partial pressures 

of  ammonia  and  H2  (or  the  activity  of  nitrogen  at  the  surface  of  the  sample)  and  the 

temperature. Nitriding of steel is carried out only after it has been hardened and tempered. It is 

the last heat treatment given to steel. 

 

Slide 7 

Page 18: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

18 

Iron – Nitrogen phase diagram:  Slide 8 gives  the  relevant part of a schematic binary phase diagram of Fe‐N.    It has a striking 

similarity with that of Fe‐C system. The solubility of nitrogen in iron like carbon is much higher 

in austenite than that in ferrite. If nitriding is done at 500°C the nitrogen pick up or the diffusion 

occurs  in  ferrite or  the BCC  form of  iron. The diffusivity of N  in  ferrite  is higher  than  that  in 

austenite.  However  the  solubility  of N  in  ferrite  is  low.  Diffusion would  occur  under  a  low 

concentration  gradient.  The  process  is  very  slow.  It may  need  very  long  hours  of  thermal 

exposure  in  an  environment  of  active  nitrogen.  Depending  on  the  depth  of  hardening  the 

exposure time may range from 10 to 50 hours. Like carburizing there are special salts bath for 

nitriding in liquid environment. A typical liquid nitriding bath may consist of a mixture of Na / K 

cyanides,  cyanates and  carbonates. At  the nitriding  temperature  the  cyanate decomposes  to 

release nascent nitrogen. 

4 NaCNO = Na2CO3 + 2NaCN + 2N 

The nascent nitrogen is very active. It diffuses into iron. When the solubility limit is exceeded it 

forms nitride. The Fe‐N diagram helps understand the process of nitriding. The temperature of 

nitriding  is not very high.   There  is no  transformation  involving  significant change  in volume. 

Therefore the problem associated with residual stress leading to cracking or distortion in not a 

major concern.  

Fe-N phase diagram

680 C

Fe4N

590 C

2

910 C

wt % N

 

Slide 8

Page 19: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

19 

Kinetics of nitriding

Cr-Ni-Mo steel

Nitralloy

VH

N

Presence of nitride forming elements increases kinetics of nitriding

time

1Al 1.5Cr 0.2Mo

 

The presence of alloying elements having high affinity  for nitrogen  significantly  improves  the 

kinetics of nitriding. This  is  illustrated with the help of a diagram  in slide 9. Common alloying 

that significantly improves the kinetics of nitrogen pick up are Cr, Al and Mo. A popular nitriding 

grade of steel has 1%Al, 1.5%Cr and 0.2%Mo. It is known as nitralloy.  

Effect of surface hardening on the fatigue life of steel:  Engineering  components  like  crack  shaft,  rotors,  landing  gears,  governor  valve  spindle  and 

many other similar components that are subjected to cyclic loading are prone to fatigue failure. 

Failure  occurs  after  a  certain  numbers  of  cycles  of  loading  depending  on  the magnitude  of 

stress amplitude. The fatigue resistance of an engineering material is best described by S (stress 

amplitude) ‐ N (number of cycles to failure) plots. A typical shape of S‐N curve is shown in slide 

10. The plots for steel are asymptotic. There is a stress range for every material below which a 

component made of this  is expected to have  infinite  life. This  is known the endurance  limit of 

the material.  Fatigue  failure  occurs  only  under  tensile  loading. Most  often  failure  originates 

from  the external  surface of a  component. Therefore  fatigue  life of engineering  components 

can  be  improved  either  by  introducing  residual  compressive  stress  on  its  surface  or  by 

increasing the yield strength of the surface.  

Slide 8 

Page 20: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

20 

Effect of surface hardening on fatigue life

No. cycles to failure

Nitriding

Shot peened

No surf hard.

Endurance limit

 

Slide 10 shows with the help of a diagram the effect of surface hardening on the S‐N curves of 

steel.  The  dotted  lines  represent  the  endurance  limit.  Shot  peening  introduces  residual 

compressive  stress  on  the  surface  and  increases  the  yield  strength  by  stain  hardening. 

Therefore shot peening raises the endurance limit of steel. Nitriding treatment is usually given 

after case hardening  treatment.  It  further  improves  the hardness of  the surface. Therefore  it 

gives the highest possible endurance limit.  

 

 

Summary:  In this module we  learnt about various methods of surface hardening. The methods used can 

be  divided  into  two  groups. One  that  is  based  on  the modification  of  the  surface  either  by 

coating or by cold work and the other that is based on either heat treatment or a combination 

of heat treatment and modification of the composition of the surface. Shot peening and hard 

facing comes under the first category. These are more generic and can be applied to all metals 

and  alloys.  The  other  category  includes  induction  hardening,  case  hardening  and  nitriding. 

These are applicable only for steel.   The structural changes that take place during the various 

stages of  treatment have been explained with  the help of  schematic diagrams. The effect of 

these on  the evolution of surface  residual stress and  the  fatigue  resistance of steel has been 

explained. Surface hardening offers an opportunity  for more efficient use of materials. There 

are several applications where the case is required to be strong but the core should be soft and 

tough. It helps raise endurance limits of metals and alloys. 

Slide 10 

Page 21: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

21 

 

 

Exercise:  

1. Induction heating followed by quenching is a common method of surface hardening of 

steel. Can it be applied to an alloy steel having 18Cr8Ni0.15C? 

2. Can steel having 0.1% carbon be case carburized at 850⁰C? 

3. Cite three main reasons for surface hardening of steel. 

4. Explain why core refining heat treatment may not be required for case carburized 

aluminium killed steel. 

5. What is the white layer on steel that forms during nitriding? 

Answers:  

1. No.  18Cr8Ni0.15C is austenitic steel. It cannot be hardened by heating & quenching. 

 

2. It would  carburize  but  the  process would  be  too  slow.  At  850⁰C  it will  have  ferrite 

austenite  structure.  Solubility  of  carbon  in  ferrite  is  very  small.    Only  the  austenitic 

region  will  pick  up  carbon.  The  concentration  gradient  for  carbon  to  diffuse  into 

austenite is also less. Since both temperature & concentration gradients are low rate of 

carbon  pick  up  will  be  extremely  slow.  Therefore  carburization  at  850C  is  not 

recommended.  The  following  figure  illustrates  how  %C  at  the  interfaces  can  be 

estimated. 

 

 

                                                                                                                                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

910 850910 723

0.8 0.26 

22 0.8

1147 8501147 723

; 1.16 

∆ 1.16 0.26 0.9 

723 

910 850 

1147

0.1  0.8  2.0 Cs Ci 

%C

T

Page 22: Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardeningnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture37.pdf · Module 37 Surface hardening Lecture 37 Surface hardening . ... We have seen

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

22 

3. Three most  important  reasons  for  surface hardening are:  (i)  to have hard  surface but 

soft (tough) core in components like gears, shafts etc.  (Hardening is often accompanied 

by loss of toughness.)  (ii) to overcome section size effect which makes it difficult to get 

the required surface hardness in large sections by quenching  and (iii) to get a favorable 

residual stress on the surface which would inhibit crack initiation. 

 

4. Purpose of core refining treatment is to get fine austenite grain in case carburized steel. 

Aluminum  killed  steel  are  resistant  to  austenitic  grain  growth. Aluminum  reacts with 

dissolved oxygen  to  form oxide particles during  solidification. These are  located along 

austenite  grain  boundaries  and  restrict  their movements.  In  such  steel  grain  growth 

during  carburization  heat  treatment may  not be  significant.  This  is why  core  refining 

treatment may not be necessary. Steels having micro alloying elements like Nb, V, and Ti 

too are resistant to grain growth. These too do not need core refining treatment. 

 

5. Nitriding is done on steel after it has been hardened and tempered. Sample is heated to 

around 500⁰C which  is  lower  than  the eutectoid  transformation  temperature  in  Fe‐N 

phase diagram. The eutectoid consists of ferrite and Fe4N. While some N would diffuse 

through ferrite to form fine carbo‐nitrides some may form a white nitride layer made of 

Fe4N at  the  surface. This  is hard and brittle.  It  is harmful and  it must be  removed by 

lapping.