Bewertung und Weiterentwicklung von Charakterisierungsmethoden für mehrphasige Nitrid-Verbindungsschichten

Abstract

Die durch ein Nitrieren in der Randschicht eines Eisenwerkstoffs entstehende Verbindungsschicht ist entscheidend für die Langlebigkeit mechanisch beanspruchter Bauteile. Eine Verbindungsschicht entsteht durch ein Ausscheiden von Nitriden, die im Randbereich, wo die Stickstoffkonzentration am höchsten ist, eine geschlossene Schicht bilden. Die technologischen Eigenschaften der Verbindungsschicht stehen in direktem Zusammenhang mit ihrem Aufbau und der Phasenzusammensetzung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Quantifizierung der Nitridphasen, um eine genauere Beschreibung der Verbindungsschicht zu erreichen. Um ein breites Spektrum an Verbindungsschichten untersuchen zu können, werden im ersten Teil der Arbeit in geregelten Nitrierprozessen an den Nitrier- und Vergütungsstählen Verbindungsschichten unterschiedlicher Zusammensetzung gezielt eingestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden unterschiedliche analytische Methoden angewendet, um die Verbindungsschicht umfassend zu charakterisieren. Mittels der Sonderätzung eines Querschliffs mit einem Nitrid anfärbenden Ätzmittel in Kombination mit einer Bildanalyse wird die Phasenzusammensetzung von Mischschichten zuverlässig ermittelt. Tendenzen über die Nitrid-Verteilung in der Verbindungsschicht im kompakten Bereich werden darüber hinaus durch Härteverläufe sichtbar gemacht. Struktur und Aufbau des Porensaums werden durch eine dreidimensionale Röntgenmikroskopie charakterisiert. Hierdurch wird eine quantitative Aussage über die Größenverteilung der Poren ermöglicht. Daneben wird ein qualitativer Einblick über die Verortung der verschieden ausgeprägten Poren in der Verbindungsschicht erhalten. Die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Verbindungsschichten, wie der Bruchzähigkeit durch eine Anwendung der Palmqvist-Methode, wird durch eine Optimierung der Probenpräparation gesteigert. Gesteigerte Gebrauchseigenschaften durch ein vielversprechendes Verbindungsschichtdesign mit einem ausreichend ausgeprägten Porensaum werden über Tragfähigkeitsuntersuchungen an nitrierten Zahnrädern nachgewiesen.