Structural and Nanohardness Behavior of Low Energy, High Flux Nitrogen Implanted Austenitic Stainless Steel

Abstract

316 austenitic stainless steels (SSs) are one of the most commercial and technological alloys and extensively used in the field of defence, nuclear and biomedical applications due to its excellent corrosion resistance in abrasive and erosive environment. However, this type of steel is rather soft, and these results in poor durability, in particular when this material (316 SS) is in contact with other surfaces. In addition, 316 SS is nonmagnetic at room temperature. In order to make the surface of 316 SS harder, nitrogen ion beam implantation and wear resistant method is applied. Earlier studies of high dose nitrogen ion implantation into the surface of austenitic SSs around 400 °C substrate temperature showed that an expanded austenite phase (The Nitrogen phase in the FCC lattice of 316 SS) gives excellent wear resistance with high hardness value. In this study, type 316 stainless steel (SS) was implanted with low energy (700 eV), high flux (2.9 mA/cm2) nitrogen ions at 400 °C substrate temperature in order to harden its surface. Microhardness and nanohardness measurements were carried out on the nitrogen implanted surface and on the nitrogen implanted cross-section under the applied loads ranging from 6 mN to 30 mN. Both microhardness and nanohardness data suggest that the hardness of the N implanted 316 SS significantly increases compared to the hardness of the substrate material (by a factor of 3 to 4).The hardness increase is believed to be due to the high amount of nitrogen, the thick nitrogen implanted layer and macroscopic residual compressive stresses, the formation of which is verified by θ/2θ XRD scans as lattice expansions about 10 at. %. SIMS profiles suggest concentration-dependent diffusion behavior for the N implanted layers. Based on SIMS and SEM/EDX data, nitrogen implanted layers are 4-5 micron thick and constituting about 28 %.

316 östenitik paslanmaz çelikler endüstride ticari anlamda çok bulunan ve teknolojik olarak önemli alaşımlardan biridir ve aşındırıcı ortamdaki mükemmel korozyon direncinden ötürü savunma, nükleer ve biyomedikal uygulamalar alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu çelik türü oldukça yumuşaktır ve bu malzeme (316 SS) diğer yüzeylerle temas halindeyken yüzeyi aşınmaya karşı zayıf bir davranış gösterir. Ayrıca, 316 SS oda sıcaklığında nonmanyetiktir. 316 SS sert yüzey yapabilmek için nitrojen iyon demeti implantasyonu ve aşınmaya dirençli bir yöntem uygulanmaktadır. 400 ° C taban sıcaklığı civarında östenitik paslanmaz çeliklerin yüzeyine yüksek dozlu azot iyonu implantasyonu ile ilgili daha önceki çalışmalar, genişletilmiş bir östenit fazının (γN - 316 SS FCC kafesinde azot fazı) olduğunu göstermiştir. Mükemmel aşınma direncine sahip ve yüksek sertlik değerine sahip form elde edilir. Bu çalışmada, yüzeyini sertleştirmek için 316 paslanmaz çelik 400 ° C sabit sıcaklığında düşük enerji (700 eV), yüksek akı (2,9 mA / cm2) azot iyonları ile implante edilmiştir. Azot implante edilmiş yüzey üzerinde 6 mN ile 30 mN arasında değişen yüklerin altında enine kesit numune üzerinde mikro sertlik ve nano sertlik ölçümleri yapılmıştır. Hem mikro sertlik hem de nano sertlik verileri, N implante 316 paslanmaz çeliğinin sertliğinin, implantasyon yapılmamış 316 paslanmaz çeliğin sertliğine (3 ile 4 kat) göre önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Sertlik artışının yüksek miktarda azot, kalın azot implante edilmiş tabaka ve makroskobik kalıntı basma gerilmelerinden kaynaklanmaktadır, bunun oluşumu, yaklaşık % 10 da kafeste genişleme meydana getirdiği θ/2θ XRD taramaları ile doğrulanmıştır. SIMS profilleri, N implante edilmiş katmanlar için konsantrasyona bağlı difüzyon davranışını göstermektedir. SIMS ve SEM/EDX verilerine dayanarak, azot implante edilmiş katmanlar 4-5 mikron kalınlığındadır ve yaklaşık % 28 oranında içerir.