The saturation of the near surface layers of metals with different elements is a powerful tool to change their surface properties. In this work, structure and transport changes induced by incorporation of large amounts of nitrogen at moderate temperatures (∼370−430°C) in austenitic stainless steel are investigated. The structural study of the plasma nitrided ASS has been carried out using a combination of global (X-ray diffraction, nuclear reaction analysis) and local probe techniques (Mossbauer, X-ray absorption near edge structure, extended X-ray absorption fine structure spectroscopies). It reveals that nitriding at moderate temperatures (∼400°C) results in the nitrided layer with Fe, Cr and Ni being in different local chemical environments: Cr in the CrN-like state, Fe in the Fe4N-like state, Ni in the metallic state. The results demonstrate that the incorporation of interstitial nitrogen destabilizes homogeneous distribution of the ASS constituents, which leads to the segregation of the elements into small zones rich in Cr and Ni and provide strong evidence that the decomposition is of a spinodal nature. These experimental findings contradict the widely accepted view that the phase formed during nitriding at moderate temperatures is a homogeneous supersaturated nitrogen solid solution. The nitrogen atomic transport study has been carried out by using ion beam nitriding of single-crystalline stainless steel, and the issues of the influence of the crystalline orientation, nitriding temperature, ion flux and ion energy are addressed. The diffusion coefficients have been extracted from the fitting of the nitrogen depth profiles by using the trapping-detrapping model. It is shown that the crystalline orientation plays a significant role in nitrogen diffusion: the penetration depth is largest, intermediate and lowest for the (001), (110) and (111) orientation, respectively. The pre-exponential factor D0 varies by two orders of magnitude depending on the orientation, while the activation energy E is similar (∼1.1 eV) for the (111) and (110) orientations and higher for the (001) orientation (∼1.4 eV). It is found that the nitrogen ion energy and the flux have the effect on the nitrogen transport in the bulk with higher energies (or fluxes) showing larger diffusion coefficients. The ion energy effect is more pronounced for the (001) than for the (111) orientation, while the flux effect is similar in both orientations. In addition, the diffusivity during post-nitriding thermal annealing without ion irradiation is found to be independent of the crystalline orientation. The observed radiation enhanced diffusion and anisotropy are discussed on the basis of nitrogen incorporation induced changes in the matrix structure (ASS decomposition and formation heterogeneous structure), ion bombardment induced effects (defects, localized vibrations) and correlated diffusion.

Rost- und säurebeständige Stähle, wie z.B. der Austenit 1.4404, zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Der Einsatz dieser Stähle war aber aufgrund ihrer schlechten Verschleißeigenschaften bisher eher eingeschränkt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, eine Oberflächenmodifizierung vorzunehmen. Dies kann besonders mit Nitrier- und Carburierverfahren bzw. einer Kombination aus beiden erreicht werden, wobei das im Mischkristall gelöste Chrom nicht zur Ausscheidung als Chromnitrid bzw. Chromcarbid gebracht werden darf. Dazu wurde bereits Mitte der 80-er Jahre das Verfahren der so genannten Tieftemperaturnitrierung entwickelt. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, auf rost- und säurebeständigen Stählen eine Schicht mit hohem Verschleißwiderstand zu erzeugen, ohne dass es zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommt. Die werkstoffwissenschaftliche Forschung hat mit dieser überwiegend technologischen Entwicklung nicht Schritt gehalten. Verallgemeinerungsfähige Aussagen über das Korrosionsverhalten dieser verschleißbeständigen Randschichten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Struktur sind gegenwärtig noch nicht möglich. Die Zielstellung der im Rahmen dieser Arbeit durchzuführenden Untersuchungen besteht deshalb in der Ermittlung vertiefter Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen den Behandlungsbedingungen, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der dabei entstehenden Randschichten und ihrem Korrosionsverhalten.

The saturation of the near surface layers of metals with different elements is a powerful tool to change their surface properties. In this work, structure and transport changes induced by incorporation of large amounts of nitrogen at moderate temperatures (∼370−430°C) in austenitic stainless steel are investigated. The structural study of the plasma nitrided ASS has been carried out using a combination of global (X-ray diffraction, nuclear reaction analysis) and local probe techniques (Mossbauer, X-ray absorption near edge structure, extended X-ray absorption fine structure spectroscopies). It reveals that nitriding at moderate temperatures (∼400°C) results in the nitrided layer with Fe, Cr and Ni being in different local chemical environments: Cr in the CrN-like state, Fe in the Fe4N-like state, Ni in the metallic state. The results demonstrate that the incorporation of interstitial nitrogen destabilizes homogeneous distribution of the ASS constituents, which leads to the segregation of the elements into small zones rich in Cr and Ni and provide strong evidence that the decomposition is of a spinodal nature. These experimental findings contradict the widely accepted view that the phase formed during nitriding at moderate temperatures is a homogeneous supersaturated nitrogen solid solution. The nitrogen atomic transport study has been carried out by using ion beam nitriding of single-crystalline stainless steel, and the issues of the influence of the crystalline orientation, nitriding temperature, ion flux and ion energy are addressed. The diffusion coefficients have been extracted from the fitting of the nitrogen depth profiles by using the trapping-detrapping model. It is shown that the crystalline orientation plays a significant role in nitrogen diffusion: the penetration depth is largest, intermediate and lowest for the (001), (110) and (111) orientation, respectively. The pre-exponential factor D0 varies by two orders of magnitude depending on the orientation, while the activation energy E is similar (∼1.1 eV) for the (111) and (110) orientations and higher for the (001) orientation (∼1.4 eV). It is found that the nitrogen ion energy and the flux have the effect on the nitrogen transport in the bulk with higher energies (or fluxes) showing larger diffusion coefficients. The ion energy effect is more pronounced for the (001) than for the (111) orientation, while the flux effect is similar in both orientations. In addition, the diffusivity during post-nitriding thermal annealing without ion irradiation is found to be independent of the crystalline orientation. The observed radiation enhanced diffusion and anisotropy are discussed on the basis of nitrogen incorporation induced changes in the matrix structure (ASS decomposition and formation heterogeneous structure), ion bombardment induced effects (defects, localized vibrations) and correlated diffusion.

Rost- und säurebeständige Stähle, wie z.B. der Austenit 1.4404, zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Der Einsatz dieser Stähle war aber aufgrund ihrer schlechten Verschleißeigenschaften bisher eher eingeschränkt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, eine Oberflächenmodifizierung vorzunehmen. Dies kann besonders mit Nitrier- und Carburierverfahren bzw. einer Kombination aus beiden erreicht werden, wobei das im Mischkristall gelöste Chrom nicht zur Ausscheidung als Chromnitrid bzw. Chromcarbid gebracht werden darf. Dazu wurde bereits Mitte der 80-er Jahre das Verfahren der so genannten Tieftemperaturnitrierung entwickelt. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, auf rost- und säurebeständigen Stählen eine Schicht mit hohem Verschleißwiderstand zu erzeugen, ohne dass es zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommt. Die werkstoffwissenschaftliche Forschung hat mit dieser überwiegend technologischen Entwicklung nicht Schritt gehalten. Verallgemeinerungsfähige Aussagen über das Korrosionsverhalten dieser verschleißbeständigen Randschichten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Struktur sind gegenwärtig noch nicht möglich. Die Zielstellung der im Rahmen dieser Arbeit durchzuführenden Untersuchungen besteht deshalb in der Ermittlung vertiefter Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen den Behandlungsbedingungen, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der dabei entstehenden Randschichten und ihrem Korrosionsverhalten.

No description available.

No description available.

No description available.

Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

No description available.