Anke Dalke

EB Surface Alloying and Plasma Nitriding of Different Al Alloys

Within the last years, considerable progress was achieved in the research field of plasma nitriding of Al alloys. However, due to large property differences between the very hard AlN layer and the soft Al matrix material the load capacity of the nitride layer is limited. Electron beam (EB) surface alloying modifies the chemical composition of the area near the surface up to a certain depth. This, for instance, results in high hardness levels, and therefore this layer acts as support for the hard and wear-resistant thin AlN layer generated by plasma nitriding. In the present study, surface modifications produced by a combination of EB alloying with Fe based additives and plasma nitriding of wrought, cast and spray-formed Al alloys were investigated. After the EB treatment the layers were examined regarding their influence on the structure, the nitride layer growth mechanism, the effect of the EB layer for the support of the AlN layer and the resulting duplex layer properties, e.g. hardness and wear behaviour.

Plasmanitrieren von sprühkompaktierten Al-Legierungen*

Kurzfassung Auf dem Gebiet des Plasmanitrierens von Al-Knet-bzw. Gusslegierungen wurden in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Das Nitrierverhalten wird in entscheidendem Maße von den Legierungselementen bestimmt. Für Al-Knet-bzw. Gusslegierungen ist bekannt, dass Mg-Anteile das Nitridschichtwachstum befördern, wogegen es durch höhere Si-Konzentrationen gehemmt wird. Sprühkompaktierte Al-Si-Legierungen weisen, bedingt durch den speziellen Herstellungsprozess, typischerweise hohe Si-Gehalte (15…35%) zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit sowie für eine gute Warmfestigkeit hohe Anteile an Fe, Ni, Co u. a. auf. Erstmalig durchgeführte Untersuchungen zum Plasmanitrieren derartiger Werkstoffe ergaben in Abhängigkeit von den Nitrierparametern rissfreie AlN-Schichten mit einer Dicke von bis zu 6 μm. Diese ausgezeichnete Nitrierbarkeit, trotz hoher Si-Gehalte, ist offensichtlich auf die werkstofftypischen ausschließlich primär erstarrten, fein verteilten, kleinen (2…5 μm) Si-Ausscheidungen zurückzuführen. Es wurden verschiedene Legierungszusammensetzungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Schichtausbildung und -eigenschaften (Härte, Verschleiß) untersucht. Durch den sprunghaften Wechsel der Eigenschaften von sehr hart (AlN-Schicht) zu weich (Al-Grundwerkstoff) ist die Tragfähigkeit der Nitridschicht im Belastungsfall eingeschränkt. Aus diesem Grund wurden die Möglichkeiten und Grenzen einer Nachbehandlung (Aushärtung) untersucht.

A Novel Approach of Plasma Nitrocarburizing Using a Solid Carbon Active Screen – a Proof of Concept

Abstract The feasibility of a novel approach of plasma nitrocarburizing with active screen (AS) made of carbon-fiber reinforced carbon (CFC) has been demonstrated in a comparative study of two types of AS material, steel and CFC, under similar process conditions. Besides the excellent thermo-mechanical properties of the CFC material against the conventional steel, an uncontrollable sputter deposition of the steel screen material during the nitriding can be avoided by the use of the CFC material. Furthermore, a solid-carbon-source concept based on the generation of highly reactive precursor gases, in particular of the unsaturated hydrocarbons HCN and C2H2 directly in the process, avoiding external supply of gaseous hydrocarbons, has been realized in the plasma-enhanced thermochemical treatment. The high nitriding effect of the process atmosphere obtained with the CFC AS yielded a significant improvement of nitriding results for different treated steels.

Plasmanitrieren von Aluminiumlegierungen

Kurzfassung Das Nitrieren von Aluminium-Werkstoffen führt zur Bildung einer harten Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht. Jedoch ist die Tragfähigkeit der Nitridschicht aufgrund der Eigenschaftsunterschiede zwischen der sehr harten AlN-Schicht und dem weichen Al-Substrat stark begrenzt. Um nitrierte Al-Legierungen auch für Beanspruchungen mit hohen Flächenlasten nutzbar zu machen, sind zusätzliche Maßnahmen zur Abstützung notwendig. Elektronenstrahl-Flüssigphasenprozesse ohne oder mit Zusatzstoff ermöglichen insbesondere für Al-Werkstoffe durch die Modifizierung der chemischen Zusammensetzung des randschichtnahen Gefüges die Erzeugung verschleiß- und ermüdungsbeständiger Randschichten für größere Flächenlasten.

Plasma Nitrocarburizing of AISI 316L Austenitic Stainless Steel Applying a Carbon Active Screen: Status and Perspectives*

Abstract Plasma nitrocarburizing of austenitic stainless steel at 420 °C is typically applied to improve the surface hardness and wear resistance without impairing the corrosion resistance of the material. Recently, based on the active screen technology a novel plasma assisted approach has been developed substituting the usually used steel active screen by carbon-fibre reinforced carbon. This new concept avoids the use of carbon containing feed gases and provides highly reactive process gases consisting predominantly of unsaturated hydrocarbons and CN-radicals. The feasibility of this novel approach has been proven by spectroscopic and metallurgical studies in smaller laboratory set-ups but also in industrial scale systems. The present contribution compiles recent achievements in active screen plasma nitrocarburizing of AISI 316L and related materials using a carbon active screen under variations of bias power and process gas composition. The results are compared to plasma nitrocarburizing treatments using an active screen made of steel.

Einfluss der Behandlungsbedingungen beim Nitrocarburieren auf Härte, Verschleiß- und Korrosionswiderstand der Randschicht nichtrostender Stähle*

Kurzfassung Das Verhalten nichtrostender Stähle bei tribologischen Beanspruchungen wird durch die Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff erheblich verbessert. Zur Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit muss dabei jedoch die Ausscheidung von Chromnitriden bzw. -carbiden unterdrückt werden. Beim Plasmanitrocarburieren wird durch die Kombination der Wirkung von Stickstoff und Kohlenstoff ein zweilagiger Schichtaufbau bestehend aus äußerem expandierten Stickstoff-Austenit und darunterliegendem expandierten Kohlenstoff-Austenit gebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Elemente (Stickstoff/Kohlenstoff) und deren Wirkung unterscheiden sich die Eigenschaften der jeweiligen Schicht stark. In Abhängigkeit der Variation des Kohlenstoffangebots sowie Behandlungstemperatur und -dauer können die resultierenden Schichteigenschaften beanspruchungsgerecht optimiert werden. Ergebnisse von Untersuchungen an austenitischen und austenitisch-ferritischen Stählen zum Einfluss der Prozessparameter auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften des expandierten Austenits werden vorgestellt und diskutiert.