Microscopic Characterization of Compound Layers
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M. Sommer
Michaela Sommer M. Sc. is a research associate at the Leibniz Institute for Materials Engineering – IWT in Bremen in the Heat Treatment Department. Her responsibilities include the processing of research projects in the field of nitriding. In the context of her doctoral thesis, she is working on the characterization of compound layers.
Dr. Wolf-Achim Kahl born in 1968, is a mineralogist (diploma 1988, CAU Kiel; PhD 2000, RU Bochum). In the past decade he focused his research on quantitative 3D digital image analysis of X-ray microtomography data. Since 2020 he is an application scientist at the MAPEX, University of Bremen.
Abstract
The properties of the compound layer have a significant influence on the lifetime of nitrided surface layers. In addition to a sufficient thickness, the compound layer characteristics include the phase composition and the porosity. Complex methods such as GD-OES or XRD are already used to qualitatively and quantitatively determine the phase composition of the compound layer. Particularly with regard to the characterization of the pore seam, no method has yet been identified that can be clearly recommended. In this work, the extent to which compound layers can already be characterized with the aid of microscopic examination methods is shown. For this purpose compound layers with varying thickness, phase composition and porosity were formed in the surface area of the material EN31CrMoV9 and EN42CrMo4 by different nitriding processes. It is demonstrated how the phase composition of compound layers can be studied qualitatively by means of special etchants on metallographic cross sections and subsequently quantitatively by image analysis. A more extensive characterization of the pore seam beyond the state of the art could be performed by scanning electron microscopy studies as well as 3D X-ray microscopy.
Kurzfassung
Die Eigenschaften von Verbindungsschichten haben einen bedeutenden Einfluss auf die Lebensdauer nitrierter Oberflächen. Neben einer ausreichend großen Dicke gehören zu den Eigenschaften der Verbindungsschicht die Phasenzusammensetzung und Porosität. Komplexe Verfahren, wie z. B. GD-OES oder XRD, werden bereits zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Phasenzusammensetzung der Verbindungsschicht eingesetzt. Besonders im Hinblick auf die Charakterisierung des Porensaums konnte bisher keine eindeutig zu empfehlende Methode bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, inwieweit Verbindungsschichten bereits mithilfe mikroskopischer Untersuchungsmethoden charakterisiert werden können. Dazu wurden Verbindungsschichten mit unterschiedlichen Dicken, Phasenzusammensetzungen und Porosität im oberflächennahen Bereich der Werkstoffe EN-31CrMoV9 und EN42CrMo4 mit Hilfe unterschiedlicher Nitrierverfahren erzeugt. Es wird gezeigt, wie die Phasenzusammensetzung der Verbindungsschichten qualitativ durch eine spezielle Ätzung von metallographischen Querschliffen und anschließend quantitativ mithilfe der Bildanalyse untersucht werden kann. Eine umfangreichere Charakterisierung des Porensaums, der über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht, konnte durch Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und 3D-Röntgenmikroskopie erzielt werden.
About the authors
Michaela Sommer M. Sc. is a research associate at the Leibniz Institute for Materials Engineering – IWT in Bremen in the Heat Treatment Department. Her responsibilities include the processing of research projects in the field of nitriding. In the context of her doctoral thesis, she is working on the characterization of compound layers.
Dr. Wolf-Achim Kahl born in 1968, is a mineralogist (diploma 1988, CAU Kiel; PhD 2000, RU Bochum). In the past decade he focused his research on quantitative 3D digital image analysis of X-ray microtomography data. Since 2020 he is an application scientist at the MAPEX, University of Bremen.
5 Acknowledgement
The project IGF 20067 was funded by the AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen “Otto von Guericke”
e. V.) through financial ressources from the BMWK (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz).
5 Danksagung
Das Projekt IGF 20067 wurde finanziert von der AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V.) aus Mitteln des BMWK (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz).
References / Literatur
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