In situ-Röntgenbeugungsuntersuchungen zum Verständnis von Stickstoffbeweglichkeit und Veränderungen der Mikrostruktur von fortschrittlichen rostfreien Edelstählen beim Nitrieren

• Antragstellerin: Dr. Darina Manova
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398551991

Die Verwendung von in situ XRD in Kombination mit Ionenimplantation und Ionenstrahlätzen über Zerstäubungsprozesse ermöglicht einen direkten Zugang zu Diffusion und Phasenübergängen. Der Hauptvorteil dieser selbst entwickelten Labormethode ist die exzellente Kombination einer Zeitauflösung von wenigen Minuten mit einer Tiefenauflösung von besser als 50 nm und der Möglichkeit, dicke Schichten bis zu 5–20 µm zu analysieren (die Informationstiefe der Röntgenstrahlung ist nicht mehr limitierender Faktor). Darüber hinaus erlaubt das Vorhandensein von separaten Beugungsstrukturen für verschiedene Phasen eine phasenselektive Analyse der tiefenaufgelösten Daten. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Aufklärung der Vorgänge beim Nitrieren von Duplex-Edelstählen, einer sehr attraktiven und wichtigen Klasse von Stählen für den industriellen Einsatz - was besonders anspruchsvoll ist, da die Mischung aus Austenit- und Ferritphasen in herkömmlichen Diffusionsexperimenten nur schwer zu trennen ist. Diese Phasen weisen jedoch unterschiedliche Stickstoffdiffusivitäten, -löslichkeiten und Strukturumwandlungen auf. Die Komplexität der beim Nitrieren auftretenden Phänomene, auf die ein Vorversuch hinweist, ist der wahrscheinlichste Grund für die stark begrenzte und oft widersprüchliche Literatur. Die Kombination von in situ XRD mit ex situ fortschrittlichen Materialcharakterisierungsmethoden wie STEM, EBSD, 3D-SIMS sowie Atomsondentomographie ermöglicht nun detaillierte Einblicke in die Stickstoffmobilität und die induzierten Veränderungen im Gefüge dieser Materialien.Darüber hinaus wird das Nitrieren von ausscheidungshärtbaren Stählen mit der gleichen Kombination von in situ- und ex situ-Methoden untersucht, da ähnliche experimentelle Hindernisse für diese, weitere Klasse fortschrittlicher–und ebenso technologisch wichtiger–nichtrostender Stähle bestehen, für die keine eindeutigen Daten in der Literatur verfügbar sind.Der Hauptaspekt, der diese beiden Klassen nichtrostender Stähle und den konventionellen austenitischen nichtrostenden Stahl verbindet, ist eine begrenzte Stabilität der Fe-Cr-Ni-N-Phase. Diese Phase beginnt, in CrxN und eine Fe-Ni-Matrix in entweder bcc- oder fcc-Struktur (lt. XRD-Daten) mit variierender Korngröße und somit schwankendem Stickstoffgehalt innerhalb und Stickstofftransport durch diese Phase zu zerfallen. All diese Effekte beeinflussen den Nitrierprozess stark nach Beginn dieses Zerfalls bereits bevor er mit XRD sichtbar wird. Daher ist das Verständnis dieses Phänomens von großem Interesse. Die diesem Prozess zugrundeliegende Umwandlung wird untersucht und ein tiefer Einblick in das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Effekte wird durch die fortschrittliche Kombination von in situ XRD und ex situ Charakterisierungstechniken gewonnen. Ein Ergebnis sollen Handreichungen für ein effizienteres und reproduzierbares Nitrieren von fortschrittlichen nichtrostenden Stählen (Duplex und Aushärtbar) in industrieller Umgebung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen