Nitriding of Fe-Mo alloys and maraging steel : structure, morphology and kinetics of nitride precipitation

Abstract

The nitriding behaviour of Fe-Mo alloys was investigated in terms of sequence of nitride precipitation and its morphology and kinetics. Upon nitriding Fe-1at.% Mo alloy cubic Mo2N-type precipitates develop as platelets of several hundreds of nm length and thickness of a few atomic layers. Upon prolonged treatment a discontinuous precipitation reaction initiating at ferrite-matrix grain boundaries takes place replacing the submicroscopical Mo2N-type platelets by a lamellar ferrite/MoN (hexagonal crystal structure) microstructure. The morphology of the formed compound layer consisting of iron-nitride at the surface is strongly dependant of the defect density of the matrix: a compact layer develops in case of cold rolled specimen having a high defect density, whereas a plate-like morphology develops in case of recrystallized specimens having a low defect density. The development of the nitrogen concentration-depth profiles in maraging steel upon nitriding can be successfully modelled with a combined diffusion and precipitation kinetic model, provided that the role of excess nitrogen is recognized. The model employs the following fit parameters: the composition parameter of the nitride (expressing the presence of immobile, i.e. adsorbed excess nitrogen at the nitride/matrix interface), the solubility of nitrogen in the matrix (recognizing the presence of mobile, i.e. additionally in the strained matrix, dissolved excess nitrogen), the diffusion coefficient of nitrogen in the matrix and the solubility product of the nitride precipitates.

Das Nitrierverhalten von Fe-Mo-Legierungen wurde in Bezug auf die Ausscheidungssequenz der Nitride, sowie deren Morphologie und Kinetik untersucht. Beim Nitrieren einer Fe-1at.% Mo-Legierung entstehen Ausscheidungen vom Typ Mo2N als Plättchen mit einer Länge von mehreren hundert nm und einer Dicke von nur wenigen Atomlagen. Bei längerer Nitrierdauer findet eine diskontinuierliche Ausscheidungsreaktion statt, welche an den Korngrenzen der Ferrit-Matrix startet und die submikroskopischen Plättchen vom Typ Mo2N durch eine lamellare ferrite/MoN (hexagonale Kristallstruktur) ersetzen. Die Morphologie der gebildeten Verbindungsschicht an der Oberfläche bestehend aus Eisennitriden hängt stark von der Defektdichte der Matrix ab: eine geschlossene Schicht entwickelt sich im Falle von kaltgewalzten Proben, die eine hohe Defektdichte aufweisen, wohingegen eine plattenartige Verbindungsschicht im Falle der Verwendung rekristallisierter Proben, welche eine niedrige Defektdichte aufweisen, gebildet wird. Die Entwicklung eines Stickstoff-Konzentrations-Tiefenprofils in Maraging-Stählen kann mittels eines kombinierten kinetischen Diffusions- und Ausscheidungsmodells erfolgreich modelliert werden, vorausgesetzt dass die Rolle des Überschuss-Stickstoffs in Betracht gezogen wird. Das Modell beinhaltet die folgenden Fitparameter: der Zusammensetzungsparameter der gebildeten Nitride (welcher die Anwesenheit von immobilem, d.h. an der Grenzfläche Nitrid-Ausscheidung/Matrix adsorbierten Überschuss-Stickstoffs ausdrückt), die Löslichkeit von Stickstoff in der Matrix (drückt die Anwesenheit von mobilem, d.h. zusätzlich in der gedehnten Matrix gelösten Stickstoffs aus), der Diffusionskoeffizient von Stickstoff in der Matrix, sowie dem Löslichkeitsprodukt der Nitrid-Ausscheidung.