In-situ XRD Investigations for Understanding Nitrogen Mobility and Changes in the Microstructure of Advanced Stainless Steels during Nitriding

Abstract

Nitriding of modern stainless steels, i.e. super austenite, duplex and precipitation hardening grades was investigated using in-situ XRD during nitriding and sputter depth profiling in conjunction with SEM/EDX/EBSD as well as ToF-SIMS. The aim was to elucidate fundamentals of nitrogen diffusion, phase formation and phase stability. The combination of the different methods is the only possibility to understand the response of the steel grades to the nitrogen insertion in detail. Super austenitic steel behaves similar to austenitic steel, yet the onset of the decay of the expanded phase is at lower temperatures, respective earlier for super austenites, as deduced from cluster ion analysis in ToF-SIMS mapping the local atomic neighbours inside the material as function of depth. At the same time, a more complex lattice expansion – independent from the nitrogen concentration is observed. For duplex steel, similar amounts of nitrogen are incorporated, with a rather analogous diffusion rate, in austenitic and ferritic grain. However, expanded austenitic grains contrast here with ferritic grains: The latter ones exhibit a very large defect density (due to a lower nitrogen solubility) with a nearly complete loss of XRD information from these grains. For precipitation hardening steels, a very fast nitrogen diffusion accompanied by a complex transformation into a micro- or nanocrystalline structure is observed. Furthermore, the stability of expanded austenite during annealing in vacuum without additional nitrogen supply was investigated. In contrast to the direct nitriding process where CrN formation starts at the surface, here the CrN formation starts simultaneously throughout the whole expanded austenite layer. Das Nitrieren moderner nichtrostender Stähle, d.h. Superaustenit-, Duplex- und Ausscheidungshärtungsstähle, wurde mit Hilfe von In-situ-Röntgendetektion während des Nitrierens und der Tiefenprofilierung mittels Sputtern in Verbindung mit SEM/EDX/EBSD sowie ToF-SIMS untersucht. Ziel war es, die Grundlagen der Stickstoffdiffusion, der Phasenbildung und der Phasenstabilität zu klären. Die Kombination der verschiedenen Methoden ist die einzige Möglichkeit, die Reaktion der Stahlsorten auf die Stickstoffeinbringung im Detail zu verstehen. Superaustenitischer Stahl verhält sich ähnlich wie austenitischer Stahl, jedoch setzt der Zerfall der expandierten Phase bei Superausteniten bei niedrigeren Temperaturen bzw. früher ein, wie aus der Cluster-Ionen-Analyse mit ToF-SIMS, die die lokalen atomaren Nachbarn im Material als Funktion der Tiefe abbildet, hervorgeht. Gleichzeitig wird eine komplexere Gitterausdehnung - unabhängig von der Stickstoffkonzentration - beobachtet. Bei Duplexstahl werden ähnliche Stickstoffmengen mit einer relativ ähnlichen Diffusionsgeschwindigkeit in austenitische und ferritische Körner eingebaut. Die expandierten austenitischen Körner stehen jedoch im Gegensatz zu den ferritischen Körnern: letztere weisen eine sehr hohe Defektdichte auf (aufgrund einer geringeren Stickstofflöslichkeit), wobei die XRD-Informationen dieser Körner fast vollständig verloren gehen. Bei ausscheidungshärtenden Stählen wird eine sehr schnelle Stickstoffdiffusion beobachtet, die mit einer komplexen Umwandlung in eine mikro- oder nanokristalline Struktur einhergeht. Darüber hinaus wurde die Stabilität von expandiertem Austenit während des Temperns im Vakuum ohne zusätzliche Stickstoffzufuhr untersucht. Im Gegensatz zum direkten Nitrierprozess, bei dem die CrN-Bildung an der Oberfläche beginnt, setzt hier die CrN-Bildung gleichzeitig in der gesamten Schicht aus expandiertem Austenit ein.