Browsing by Author "Meka, Sai Ramudu"

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Nitriding of iron-based binary and ternary alloys : microstructural development during nitride precipitation
(2011) Meka, Sai Ramudu; Mittemeijer, E. J. (Prof. Dr. Ir.)
In der vorliegenden Arbeit wurden die beim Gasnitrieren von ferritischen binären und ternären Eisenlegierungen entstehenden Nitride der jeweiligen Legierungselemente untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss von substitutionell gelöstem Al auf die Keimbildung und das Wachstum von Eisennitrid, γ′, näher betrachtet. Beim Nitrieren einer Fe-4.65at.%Al Legierung wurde erstmalig das interessante Phänomen des Entstehens und des Verschwindens einer hohen Zahl von Mikrorissen in der Nitrierzone, sowie die Bildung einer ausscheidungsfreien Zone entlang der Korngrenzen beobachtet. Aufgrund der Volumen-Fehlpassung zwischen der thermodynamisch stabilen, hexagonalen AlN-Modifikation und der ferritischen Matrix, ist deren Ausscheidung in rekristallisiertem Ferrit erschwert. Die Folge ist ein Wettbewerb zwischen der Bildung von gasförmigem Stickstoff an den Korngrenzen und der Ausscheidung von hexagonalem AlN. Dies führt zur Entstehung von Mikrorissen entlang der Korngrenzen und der Entstehung einer von AlN-Ausscheidungen freien Zone nahe der Korngrenzen. Während des fortschreitenden Nitrierens werden die ursprünglich nur teilweise nitrierten Körner vollständig nitriert und die Mikrorisse verschwinden. Dieses Phänomen kann in kalt gewalzten Proben nicht auftreten, da hier die Bildung von gasförmigem N2 durch die vergleichsweise leichte Ausscheidung der metastabilen, kubischen AlN-Modifikation an Versetzungen verhindert wird. Im Unterschied zu nitriertem Reineisen, wo sich eine γ′-Schicht an der Oberfläche ausbildet, entstehen beim Nitrieren einer ferritischen Fe-4.65at.%Al Legierung γ′-Platten mit einer ungewöhnlichen Morphologie an der Oberfläche, welche tief in das darunter liegende Material eindringen. In der Diffusionszone treten nanoskalige γ′- und metastabile, kubische AlN-Ausscheidungen auf, welche eine Nishiyama-Wassermann-, beziehungsweise eine Bain-Orientierungsbeziehung zur Ferritmatrix aufweisen. Die γ′-Platten haben eine hohe Stapelfehlerdichte und enthalten feine ε-Eisennitrid Ausscheidungen, obwohl die Bildung von ε-Eisennitrid unter den angewandten Nitrierbedingungen nicht erwartet wird. Mit geeigneten Nitrierexperimenten konnte gezeigt werden, dass die ungewöhnliche Mikrostruktur eine Folge der vernachlässigbaren Al-Löslichkeit in γ′ und der gehemmten Ausscheidung der thermodynamisch stabilen AlN-Modifikation in Ferrit ist. Beim Nitrieren von dicken (1 mm) rekristallisierten Fe-2at.%Si Proben wurde unerwartet ein ideal schwaches Nitrierverhalten beobachtet. Dies kann dem Umstand zugeschrieben werden, dass die Ausscheidung von Siliziumnitrid erst beginnt, nachdem ein gewisser Grad an Stickstoffübersättigung über die ganze Dicke der Probe erreicht wurde. Siliziumnitrid-Ausscheidungen bilden sich innerhalb der Ferritkörner und entlang der Korngrenzen. Sie sind amorph und haben eine stöchiometrische Zusammensetzung analog zu Si3N4. Die amorphe Natur der kleinen Ausscheidungen hat thermodynamische Gründe. Die Nitridbildung geschieht wegen der sehr großen Volumen-Fehlpassung zwischen Ausscheidung und Matrix sehr langsam. Es tritt ein ungewöhnlicher, nichtmonotoner Härteanstieg mit zunehmender Nitrierzeit auf, welcher der anfänglich völlig elastischen Akkommodation der Ausscheidung/Matrix-Fehlpassung zugeschrieben wird. Die Stickstoffaufnahmerate nimmt mit fortschreitendem Nitrieren als Folge einer „self-catalysis“ zu. Es wurde darauf hingewiesen, dass die Ausscheidung von amorphem Siliziumnitrid entlang der Korngrenzen in der Praxis angewandt werden kann, um Kornwachstum bei der Produktion von kornorientiertem Elektrostahl zu verhindern. Für Fe-Ti-Cr Legierungen wurde der Einfluss eines konstanten Legierungselementgehalt (Ti+Cr) von 0.3 at.%, jedoch mit variierendem Ti/Cr Verhältnis, untersucht. Die Bildung der thermodynamisch stabilen TiN- und CrN-Nitride wurden beim Nitrieren nicht beobachtet. Stattdessen entwickelten sich in der Nitrierzone extrem feine, metastabile Ti1-xCrxN Mischnitride mit plättchenförmiger Morphologie (Länge ≤ 30 nm, Dicke ≤ 3 nm) und kubischer (NaCl-Typ) Kristallstruktur. Die durch die Fehlpassung der Nitridplättchen hervorgerufenen Spannungen in der ferritischen Matrix nehmen mit zunehmendem Ti/Cr Verhältnis zu. Als Konsequenz entsteht, insbesondere für das größte Ti/Cr-Verhältnis, eine tetragonal verzerrte Ferritmatrix um die Ausscheidungen. Die Stickstoffaufnahme wurde quantitativ bestimmt indem Stickstoff-Absorptions-Isothermen aufgenommen wurden. Es zeigte sich, dass die Menge des so genannten Exzess-Stickstoffs, welcher in der Matrix gelöst und an der Grenzfläche zwischen Matrix und Nitrid-Aussscheidung adsorbiert ist, mit größer werdendem Ti/Cr Verhältnis deutlich zunimmt. Die Ergebnisse wurden bezüglich der Abhängigkeit der Fehlpassung vom Ti/Cr Verhältnis und der größeren chemischen Affinität von Ti zu N gegenüber Cr zu N diskutiert.