Przemiany fazowe zachodzące w układach Fe/NH3/H2 oraz Fe-N

• Autorzy: Michalski Jerzy , Frączek Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.8773

Warianty tytułu

EN

Phase transitions in the Fe/NH3/H2 and Fe-N systems

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule omówiono na podstawie literatury przemiany fazowe w azotkach żelaza wytworzonych na proszkach żelaza i na próbkach litych. Przedstawiono przemiany fazowe podczas wyżarzania w atmosferze NH3/H2 oraz w atmosferach obojętnych. Wskazano podobieństwo przemian fazowych w różnych atmosferach zastosowanych podczas wyżarzania. Opisano warunki przemian fazowych w azotkach żelaza podczas wyżarzania w atmosferze NH3/H2, w argonie oraz próżni. Przemiany fazowe zachodzące podczas wyżarzania w atmosferze NH3/H2 są odwracalne, występuje w nich zjawisko histerezy. Podczas przemiany fazowej ɛ→γ’ w atmosferze NH3/H2 do momentu zakończenia przemiany ma miejsce emisja azotu do atmosfery. Natomiast niezbędnym warunkiem przebiegu przemiany γ’→ɛ jest strumień azotu z atmosfery do powierzchni. Przemiany fazowe podczas wygrzewania w próżni i argonie są nieodwracalne. Podczas ciągłego ogrzewania azotowanych proszków żelaza z szybkością 30 K/min w próżni i argonie mogą wystąpić dwie przemiany fazowe, którym nie towarzyszy ubytek masy. Pierwsza, (α+γ’)→γN w zakresie temperatur 540÷550°C w próżni i 620÷630°C w argonie oraz druga, (γ+γ’)→ɛ w zakresie 610÷620°C w próżni i 690÷710°C w argonie. W przypadku nagrzewania w argonie początek ubytku masy rejestrowano w temperaturze ok. 860°C, natomiast w próżni kończy się w tej temperaturze odazotowanie austenitu azotowego γN. Podczas wyżarzania w temperaturze 360ºC przemianie fazowej ɛ→γ’ w warstwie ɛ/γ’ towarzyszy wzrost grubości fazy γ’, który odbywa się kosztem grubości strefy ɛ, przy czym całkowita grubość warstwy po przemianie jest taka sama, jak jej grubość w stanie wyjściowym. W temperaturze 420ºC po zakończonej przemianie ɛ→γ’, utworzona monofazowa warstwa γ’ jest grubsza od warstw ɛ/γ’ w stanie wyjściowym.

EN

In the article, based on the literature, the phase changes in iron nitrides on iron powders and on solid samples were discussed. Phase transformations in NH3/H2 atmosphere and in inert atmospheres are discussed. The similarity of phase transformations in different atmospheres used during annealing were indicated. The conditions of phase transformations in iron nitrides during annealing in NH3/H2 atmosphere, argon and vacuum were discussed. Phase transformations occurring during annealing in the NH3/H2 atmosphere are reversible and there is a hysteresis phenomenon. During the phase transformation ɛ→γ' in the NH3/H2 atmosphere until the transformation is completed, nitrogen emission to the atmosphere takes place. On the other hand, the condition for the course of the transformation of γ'→ɛ is the nitrogen flow from the atmosphere to the surface. Phase changes during heating in vacuum and argon are irreversible. During continuous heating at a rate of 30 K / min in vacuum and argon, nitrided iron powders, two phase transformations may occur, which are not accompanied by weight loss, the first (α+γ') →γN in the temperature range 540÷550°C in a vacuum and 620÷630°C in argon and the second (γ+γ') →ɛ in the range of 610÷620°C in vacuum and 690÷710°C in argon. In the case of heating in argon, the onset of weight loss was recorded at a temperature of about 860°C. Whereas in vacuum the denitration of nitrogen austenite γN ends at this temperature. During annealing at the temperature of 360°C, the phase change ɛ→γ′ in the ɛ/γ′ layer is accompanied by an increase in the thickness of the γ′ phase, which is at the expense of the thickness of the ɛ zone, while the total thickness of the layer after the transformation is the same as its initial thickness. At the temperature of 420°C, after the completion of the γ′ transformation, the formed monophasic layer γ′ is thicker than the ɛ/γ′ layers in the initial state.

Słowa kluczowe

PL

przemiana fazowa; azotek żelaza; wyżarzanie; emisja azotu

EN

phase transformation; iron nitride; annealing; nitrogen emission

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 1
• Strony: 5--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Michalski Jerzy

• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

autor

Frączek Tadeusz

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów, Częstochowa

Bibliografia

• 1. Sugita Y., Takahashi H., Komuro M.: Magnetic and Mössbauer studies of single-crystal Fe16N2 and Fe-N martensite films epitaxially grown by molecular beam epitaxy (invited). “Journal of Applied Physics” 1994, vol. 76, issue 10, p. 6637–6641.
• 2. Borsa D.M.: Nitride-based insulating and magnetic thin films and multilayers. Abstract of Doctoral’s Thesis, Gromingen 2004.
• 3. Kooi B.J., Somers M.A.J., Jutte R.H., et al.: On the oxidation of α-Fe and ε-Fe2N1−z II. Residual strains and blisters in the oxide layer. “Oxidation Met.” 1997, 48(12), p. 111–128.
• 4. Peltzer y Blanca E.L., Desimoni J., Christensen N.E., Emmerich H., Cottenier S.: The magnetization of γ’-Fe4N: theory versus experiment. „Physica Status Solidi B” 2009, vol. 246, issue 5, p. 909–928.
• 5. Yamashita S., Masubuchi Y., Nakazawa Y., Okayama T., Tsuchiya M., Kikkawa S.: Crystal structure and magnetic properties of “α′′-Fe16N2” containing residual α-Fe prepared by low-temperature ammonia nitridation. “Journal of Solid State Chemistry” 2012, vol. 194, p. 76–79.
• 6. Tayal A., Gupta M., Kumar D., et al.: Correlation between iron self-diffusion and thermal stability in doped iron nitride thin films. “Journal of Applied Physics” 2014, vol. 116, issue 22.
• 7. Lehrer E.: Über das Eisen-Wasserstoff-Ammoniak Gleichgewicht. „Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie“ 1930, vol. 36, issue 6, p. 383-393.
• 8. Somers M.A.J.: IFHTSE Global 21: heat treatment and surface engineering in the twenty-first century. Part 14 – Development of compound layer during nitriding and nitrocarburising; current understanding and future challenges. “International Heat Treatment and Surface Engineering” 2011, vol. 5, issue 1, p. 7-16.
• 9. Michalski J., Tacikowski J., Wach P., Lunarska E., Baum H.: Formation of single-phase layer of γ’-nitride in controlled gas nitriding. “Metal Science and Heat Treatment” 2005, vol. 47, p. 516–519.
• 10. Ratajski J.: Wybrane aspekty współczesnego azotowania gazowego pod kątem sterowania procesem. Politechnika Koszalińska, Koszalin 2003.
• 11. Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002.
• 12. Arabczyk W., Pelka R., Wilk B.: Studies of phase transitions occurring in the system of nanocrystalline Fe/NH3/H2. “Materials Chemistry and Physics" 2019, vol. 237, 121853. DOI: 10.1016/j.matchemphys. 2019.121853.
• 13. Moszyńska I., Moszyński D., Arabczyk W.: Hysteresis in nitriding and reduction in the nanocrystalline iron-ammonia-hydrogen system. “Przemysł Chemiczny” 2009, T. 88, nr 5, s. 526–529.
• 14. Kardonina N.I., Yurovskikh A.S., Kolpakov A. S.: Transformations in the Fe – N System. “Metal Science and Heat Treatment” 2011, vol. 52, issue 9-10, pp 457–467.
• 15. Du Marchie van Voorthuysen E.H., Boerma D.O., Chechenin N.C.: Low-temperature extension of the lehrer diagram and the iron-nitrogen phase diagram. “Metallurgical and Materials Transactions A” 2002, vol. 33, p. 2593–2598. DOI: 10.1007/s11661-002-0380-2.
• 16. Yurovskikh A.S., Kardonina N.I., Kolpakov A.S.: Phase Transformations in Nitrided Iron Powders. “Metal Science and Heat Treatment” 2015, vol. 57, issue 7-8, p. 507-514. DOI: 10.1007/s11041-015-9913-3.
• 17. Jack K.H: Binary and ternary interstitial alloys I. The iron-nitrogen system: the structures of Fe4N and Fe2N. “Proceedings of the Royal Society A” 1948, vol. 195, issue 1040, p. 34–40. DOI: 10.1098/rspa.1948.0100.
• 18. Liapina T.: Phase transformations in interstitial Fe-N alloys, Dissertation an der Universität Stuttgart, Bericht nr 170, April 2005.
• 19. Liapina T., Leineweber A., Mittemeijer E.J.: Phase Transformations in ε/γ’ - Iron Nitride Compound Layers in the Temperature Range of 613 K – 693 K. „Scripta Mater.” 2003, vol. 48, p. 1643.
• 20. Liapina T., Leineweber A., Mittemeijer E.J.: Phase transformations in iron-nitride compound layers upon low-temperature annealing: Diffusion kinetics of nitrogen in ε and γ’ iron nitrides. “Metallurgical and Materials Transsactions A” 2006, vol. 37, pp. 319-330.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).