The phase changes, nitride precipitation and hardness variations of 14%Cr-6.7Ni-0.65Mo-0.26Nb-0.05V-0.03C super martensitic stainless steel were investigated after nitrogen permeation heat treatment at a temperature range between $1050^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$. The nitrogen-permeated surface layer was transformed into austenite. The rectangular type NbN, NbCrN precipitates and fine round type precipitate were coexisted in the surface austenite layer, while the interior region that was free from nitrogen permeation kept the martensitic phase. The hardness of surface austenite showed 280 Hv, while the interior region of martensite phase represented 340 Hv. When tempering the nitrogen-permeated steel at $450^{\circ}C$, a maximum hardness of 433 Hv was appeared, probably this is attributed to the secondary hardening effect of the precipitates. The nitrogen concentration decreased gradually with increasing depth below the surface after showing a maximum of 0.3% at the outmost surface. The strong affinity between nitrogen and Cr enabled the substitutional element Cr to move from interiors to the surface when nitrogen diffuse form surface to the interior. Corrosion resistance of nitrogen permeated steel was superior to that of solution-anneaed steel in the solution of 1N $H_2SO_4$.
The surface phase changes, the hardness variations, the nitrogen contents and the corrosion resistances of 17-4 PH stainless steel have been investigated after nitrogen permeation(solution nitriding) at a temperature ranges from $1050^{\circ}C$ to $1150^{\circ}C$ The phases appeared at the nitrogen-permeated surface layer were shown to martensite plus austenite and austenite, depending on the variation of nitrogen and chromium contents. And the surface hardness was also depended on the phases appeared at the surface layer from 370 Hv to 220 Hv. The precipitates exhibited at the nitrogen-permeated surface layer were niobium nitride, niobium chromium nitride and carbo-nitride in the austenite and martensite matrices. The surface nitrogen contents were followed by the Cr contents of the surface layers, representing 0.55% at the temperatures of $1050^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$ respectively, and 0.96% at $1100^{\circ}C$ at the distances of $60{\mu}m$ from the outmost surface. From the comparison of the corrosion resistances between nitrogen-permeated and solution-annealed steels, nitrogen permeation remarkably improved the corrosion resistance in the solution of 1 N $H_2SO_4$ due to the increase of nitrogen content in the surface austenite phase.
The surface nitrogen permeation of Al alloyed 0.14%C-13%Cr stainless steels was investigated after heat treating at $1050^{\circ}C{\sim}1150^{\circ}C$ in the nitrogen gas atmosphere. The strong affinity between Al and nitrogen permeates the nitrogen through the interior of the steels. Two precipitates of round type and needle type are observed at the surface layer. These precipitates mainly consist of AlN containing plenty of aluminum. The surface layer of 0.53%Al alloyed specimen shows ferrite phase, while the surface layers of 1.65%Al and 2.27%Al alloyed specimens appear ${\gamma}$ plus ${\alpha}$ phases. The depth of nitrogen permeation depends upon the Al content and microstructure of the matrix. The 1.65%Al alloyed specimen representing ${\alpha}+{\gamma}$ matrix phases at the nitrogen permeation temperature shows the maximum case depth in this experiment. Although the surface hardness increases by raising the Al content of the specimen owing to the increase of nitride precipitation density, the nitride precipitation deteriorates the corrosion resistance in the solution of HCl, $H_2SO_4$, and $FeCl_3$.
This study aims to investigate the effect of carbon content on the surface nitrogen permeation of 13%Cr-1.8%Al alloyed stainless steels. The surface nitrogen permeation was performed at $1050^{\circ}C{\sim}1200^{\circ}C$ in the $1kg/cm^2$ nitrogen gas atmosphere. The nitrogen permeated surface layer of the specimen containing 0.03%C consists of AlN, martensite and retained austenite phases. while the surface layer of the specimen containing 0.14%C appears the $AlFe_3C_x$ phase including former three phases. The specimen containing 0.14%C shows lower total case depth than that containing 0.03%C at the nitrogen permeation temperatures of $1050^{\circ}C$ and $1100^{\circ}C$, while the total case depth of the specimen containing 0.14%C is remarkably increased at the temperature of $1150^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ due to the increase in the retained austenite content. Martensitic phase, AlN and $AlFe_3C_x$ precipitate of the nitrogen permeated surface layer cause to increase the surface hardness of 550~600Hv.
The 22%Cr-5%Ni-3%Mo duplex and 18%Cr-8%Ni austenitic stainless steels have been nitrogen permeated under the $1Kg/cm^2$ nitrogen gas atmosphere at the temperature range of $1050^{\circ}C{\sim}1150^{\circ}C$. The nitrogen-permeated duplex and austenitic stainless steels showed the gradual decrease in hardness with increasing depth below surface. The duplex stainless steel showed nitrogen pearlite at the outmost surface and austenite single phase in the center after nitrogen permeation treatment, while the obvious microstructural change was not observed for the nitrogen-permeated austenitic stainless steel. After solution annealing the nitrogen-permeated stainless steels(NPSA treatment) at $1200^{\circ}C$ for 10 hours, the hardness of the duplex and austenitic stainless steels was constant through the 2 mm thickness of the specimen, and the ${\alpha}+{\gamma}$ phase of duplex stainless steel changed to austenite single phase. Tensile strengths and elongations of the NPSA-treated duplex stainless steel remarkably increased compared to those of solution annealed (SA) duplex stainless steel due to the solution strengthening effect of nitrogen and the phase change from a mixture of ferrite and austenite to austenite single phase, while the NP-treated austenitic stainless steel displayed the lowest value in elongation due to inhomogeneous deformation by the hardness difference between surface and interior.
The microstructural changes of Fe-20Mn-12Cr-1Cu alloy have been studied during high temperature gas nitriding (HTGN) at the range of $1000^{\circ}C{\sim}1150^{\circ}C$ in an atmosphere of nitrogen gas. The mixed microstructure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite of as-received alloy was changed to austenite single phase after HTGN treatment at the nitrogen-permeated surface layer, however the interior region that was not affected nitrogen permeation remained the structure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite. With raising the HTGN treatment temperature, the concentration and permeation depth of nitrogen, which is known as the austenite stabilizing element, were increased. Accordingly, the depth of austenite single phase region was increased. The outmost surface of HTGN treated alloy at $1000^{\circ}C$ appeared Cr nitride. And this was in good agreement with the thermodynamically calculated phase diagram. The grain growth was delayed after HTGN treatment temperature ranges of $1000^{\circ}C{\sim}1100^{\circ}C$ due to the grain boundary precipitates. For the HTGN treatment temperature of $1150^{\circ}C$, the fine grain region was shown at the near surface due to the grain boundary precipitates, however, owing to the depletion of grain boundary precipitates, coarse grain was appeared at the depth far from the surface. This depletion may come from the strong affinity between nitrogen and substitutional element of Al and Ti leading the diffusion of these elements from interior to surface. Because of the nitrogen dissolution at the nitrogen-permeated surface layer by HTGN treatment, the surface hardness was increased above 150 Hv compared to the interior region that was consisted with the mixed microstructure of austenite and ${\varepsilon}$-martensite.
Park, Sang-Jun;Kim, Jung-Min;Kang, Hee-Jae;Kang, Chang-Yong;Kim, Yung-Hee;Sung, Jang-Hyun
열처리공학회지
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제25권3호
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pp.115-120
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2012
It has been known that the ferritic stainless steel can be changed to martensitic stainless steel when nitrogen is added. However the high hardness of martensitic stainless steel prevents the plastic deformation. In this study, instead of martensite, the surface microstructure was changed into nitrogen pearlite to increase the plastic deformation easily by isothermal heat treatment after high temperature gas nitriding (HTGN) the AISI 430 ferritic stainless steel. The isothermal treatment was carried out at $780^{\circ}C$ for 4, 6, and 10 hrs, respectively, after HTGN treatment at $1100^{\circ}C$ for 10 hrs. The surface layer of isothermal-treated steel appeared nitrogen pearlite composed with fine chromium nitride and ferrite. Hence, the interior region that was not affected by nitrogen permeation exhibited ferrite phase. When quenching the isothermal treated steel at 1100oC, martensitic phase formed at the surface layer. The hardness of surface layer of isothermal-treated steel and quenched steel measured the value of 150~240 Hv and 630 Hv, respectively.
Microstructural changes during tempering at the temperature range of $300^{\circ}C{\sim}700^{\circ}C$ for the nitrogen-permeated STS 410 and 410L martensitic stainless steels has been investigated. After nitrogen permeation at temperature between 1050 and $1150^{\circ}C$, the surface layer appeared fine $Cr_2N$ of square and rod types in the martensite matrices. Hardness of the nitrogen-permeated surface layer represented 680Hv and 625Hv, respectively, for 410 and 410L steels. It is considered that the fine homogeneously dispersive effect of precipitates by nitrogen caused the increased hardness. Due to the counter current effect of carbon from interior to surface during nitrogen diffusion from surface to interior, the 0.1%C alloyed 410 steel showed the low nitrogen content of 0.025% compared with 0.045% of 410L steel at the distance of $100{\mu}m$ from the surface. Tempering of nitrogen-alloyed 410 and 410L showed the maximum hardness at $450^{\circ}C$. This maximum hardness was considered to be the secondary hardening effect of very fine carbide and nitride. The decrease in hardness at $700^{\circ}C$ was the softening effect of the matrix due to the precipitation of many needle-shaped $Cr_2N$ for 410 steel and the precipitation of coarse nitride of $Cr_2N$ in line with the spherical precipitates with directionality for 410L steel. For 410 steel, the corrosion resistance of nitrogen permeated surface in the solution of 1 N $H_2SO_4$ were nearly unchanged, however the superior corrosion resistance was obtained for nitrogen permeated 410L steel compared to the solution annealed condition.
The effect of high temperature gas nitrding (HTGN) on the surface microstructure in pure Ti was investigated. Two phases of TiN and $Ti_2N$ appeared at the outmost surface, and the wide ${\alpha}$-Ti layer was formed at the next layer. On the other hand, the interior region, where the nitrogen was not permeated, exhibited ${\alpha}$'phase. The outmost surface of TiN and $Ti_2N$ showed the maximum hardness of 1000Hv, while the interior ${\alpha}$'phase was ${\sim}350$ Hv. The permeation depth of nitrogen increased with increasing the gas nitriding temperature and time. The nitrogen concentration of the surface layer seems to be over 12.7% at $1100^{\circ}C$.
This study has investigated the surface phase change, hardness variation, surface precipitates, nitrogen content and corrosion resistance in STS 431 (17Cr-2Ni-0.2C-0.01Nb) martensitic stainless steel after high temperature gas nitriding (HTGN) treatment at the temperature range between $1050^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$. The HTGN-treated surface layer appeared $Cr_2N$ of rod type, carbo-nitride of round type and fine precipitates in the austenite matrix. On the other hand the interior region where the nitrogen was not permeated, exhibited martensite phase. The surface hardness showed 250~590 HV, depending on the HTGN treatment conditions, while the interior martensitic phase represented 520 HV. The permeation depth of nitrogen increased with increasing the HTGN-treated temperature. The nitrogen concentration of the surface layer appeared approximately ~0.17% at $1100^{\circ}C$. On comparing the corrosion resistance between solution-annealed and HTGN-treated steels, the corrosion resistance of HTGN-treated steel was superior to that of solution-annealed specimens.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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