Growth kinetics and microstructure of gaseous nitrided iron chromium alloys

Abstract

Thin Fe-Cr foils with a thickness of about 150 to 200µm containing 4, 7, 13 and 20 wt.% chromium were nitrided in a gas mixture consisting of hydrogen and ammonia at temperatures of 450, 580 and 700 °C. The To investigate the nitrided samples light microscopy, scanning electron microscopy, hardness measurements, X-ray diffraction, electron probe microanalysis (EPMA), and Auger electron spectroscopy were applied. The samples with 4 and 7 wt.% Cr which were nitrided at 450 and 580 °C exhibit grains of relatively high hardness, containing finely dispersed submicroscopical chromium nitride precipitates, as well as grains of lower hardness containing discontinuously precipitated chromium nitride. The samples nitrided at 700 °C contain relatively coarse CrN particles. All samples were completely nitrided (i.e., throughout the whole sample cross-section), as confirmed by EPMA: a constant nitrogen content, independent of the occurring precipitation morphology, was observed. This nitrogen content is larger than expected on the basis of the Cr content and the solubility of N in Fe: excess N occurs. Local Cr and N enrichment was observed near pores which had developed mainly along grain boundaries. These pores are especially present in the samples which were nitrided at 700 °C. The evolution of the precipitation morphology, the presence of excess N and the local enrichment of Cr and N near pores were discussed. To investigate the growth kinetics of nitrided layers of Fe-Cr alloys, nitriding experiments were performed for Fe-Cr sheets (1mm thickness) with 4, 7, 13 and 20 wt.% Cr at a temperature of 580°C. The precipitation morphology of the nitrided samples was investigated with light optical and scanning electron microscopy. The elemental compositional variation was determined with electron probe microanalysis. To describe the evolution of the thickness of the nitrided layers a numerical model was developed that has as important (fit) parameters: the surface nitrogen content, the solubility product of chromium and nitrogen dissolved in the ferrite matrix and a parameter defining the composition of the precipitated chromium nitride. Fitting of the model to the experimental data demonstrated for the first time that mobile and immobile excess nitrogen is present in the nitrided layers and that the mobile excess nitrogen considerably influences the nitriding rate.

Fe-Cr Folien (150 – 200µm dick) mit einem Cr Gehalt von 4, 7, 13 und 20 Gew. % wurden in einer Nitrieratmosphäre bestehend aus NH3 und H2 bei 450, 580 und 700°C nitriert. Zur Untersuchung der Proben wurde, Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Härtemessung, Röntgendiffraktometrie und Mikrosondenanalyse angewendet. Die Proben mit 4 und 7 Gew. % Cr, welche bei 450 und 580°C nitriert wurden, enthalten sowohl Körner mit einer relativ hohen Härte als auch Körner mit einer geringeren Härte, welche diskontinuierlich Ausscheidungsstrukturen aufweisen. Proben die bei 700°C nitriert wurden enthalten relativ grobe CrN Partikel. Alle Proben dieser Serie wurden komplett nitriert (das bedeutet über den gesamten Probenquerschnitt). Dies wurde durch Mikrosondenanalyse bestätigt. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Stickstoffaufnahme unabhängig von der Ausscheidungsmorphologie erfolgte. Der in den Proben Aufgenommene Stickstoff ist höher, als dies der Chromgehalt (Bildung von CrN) und die Gleichgewichtslöslichkeit in der Eisen Matrix erwarten lässt. Lokal konnten erhöhte Konzentrationen von Stickstoff in den Proben festgestellt werden. Diese erhöhten Konzentrationen treten an Poren, welche sich hauptsächlich im Bereich von Korngrenzen befinden, auf. Porenbildung konnte vor allem bei Proben, welche bei 700°C nitriert wurden beobachtet werden. Die Entwicklung der Ausscheidungsmorphologie, das Auftreten von Überschussstickstoff und die lokale Anreicherung von Stickstoff in der Nähe von Poren werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Um die Wachstumskinetik nitrierter Schichten zu Untersuchen, wurden Bleche (dicke: 1mm) mit 4, 7, 13 und 20 Gew. % Cr bei 580°C nitriert. Die Ausscheidungsstruktur der nitrierten Proben wurde anhand von Lichtmikroskopie, und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Elementverteilung in den nitrierten Schichten wurde anhand von Mikrosondenanalyse bestimmt. Zur Beschreibung der Wachstumskinetik wurde ein numerisches Diffusionsmodel entwickelt, welches an die experimentell bestimmten Stickstofftiefenprofile angepasst wurde. Die Anpassungsparameter sind: Der Oberflächenstickstoffgehalt, Das Löslichkeitsprodukt von Cr und Stickstoff in der Eisenmatrix gelöst und ein Parameter welcher die Zusammensetzung des gebildeten Chromnitrides beschreibt. Durch anpassen des Modells an die gemessenen Daten konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass mobiler und immobiler Überschussstickstoff in den nitrierten Schichten anwesend ist. Ferner konnte gezeigt werden das mobiler und immobiler Überschusstickstoff die Wachstumskinetik deutlich beeinflusst.