Ideally weak nitriding kinetics during gaseous nitriding of Fe-2at.%Si alloy Translated title: Ideal schwache Nitrierkinetik beim Gasnitrieren einer Fe-2at.%Si-Legierung

Abstract

Fe-2.03at.%Si alloy was internally nitrided, employing NH ₃/H ₂ gas mixtures at 580 °C using a nitriding potential (r _N) of 0.104 atm ^−1/2. The nitrided specimens were primarily characterized by light microscopy, scanning electron microscopy and hardness measurements. Surprisingly, and for the first time, an ideally weak nitriding interaction, which is usually observed, for alloying element nitrides which are difficult to precipitate, upon nitriding only thin (about 0.1–0.3 mm thick) Fe-Me alloy specimens, was observed here upon nitriding thick (1 mm) recrystallised Fe-2.03at.%Si alloy specimens. This phenomenon can be attributed to a very large incubation time and very slow kinetics for the precipitation of (amorphous) silicon nitride. Further, an unusual hardness change with increasing nitriding time and a nitrogen-uptake rate increasing with nitriding time were observed. The hardness of the nitrided specimen first increased with increasing nitriding time up to 30h and then decreased until 165h and thereafter increased again. The occurrence of the first peak in the hardness versus nitriding time profile (at about 30h) was ascribed to the development of a metastable, precursory form of silicon nitride.

Kurzfassung

Eine Fe-2.03at.%Si-Legierung wurde in einer NH ₃/H ₂-Gasmischung bei 580°C nitriert unter Anwendung eines Nitrierpotenzials (r _N) von 0,104 atm ^−1/2. Die nitrierten Proben wurden vornehmlich mit Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Härtemessungen charakterisiert. Überraschenderweise und zum ersten Mal wurde eine ideal schwache Wechselwirkung beim Nitrieren von dicken (1mm) rekristallisierten Fe-2.03at.% Si-Proben beobachtet. Solch schwache Wechselwirkung wird sonst nur bei Legierungselementen, deren Nitride schwierig auszuscheiden sind, in dünnen (cirka 0,1–0,3mm dicken) Fe-Me-Legierungen festgestellt. Dieses Phänomen kann einer sehr langen Inkubationszeit und einer sehr langsamen Kinetik für die Ausscheidung von (amorphem) Siliziumnitrid zugeschrieben werden. Zusätzlich wurde ein ungewöhnlicher Härteverlauf mit zunehmender Nitrierzeit und eine ansteigende Stickstoffaufnahme mit zunehmender Nitrierzeit beobachtet. Die Härte der nitrierten Proben nahm zuerst mit zunehmender Nitrierzeit bis zu 30h zu, dann wurde sie geringer bis zu 165h, um anschließend wieder anzusteigen. Das Auftreten des ersten Härtemaximums bei einer Nitrierzeit von 30h wird der Bildung einer metastabilen Vorstufe des Siliziumnitrids zugeschrieben.