Stickstoff als Legierungselement

[Azkaenion]

Hallo Leute,

ihr kennt euch doch super mit Stählen und deren Legierungselementen aus.
mein Sohn hat sich heute eine 5 eingefangen, weil er in seinem fachaufsatz geschrieben hat, das Stickstoff einatomar in Stahllegierungen vorliegt.
Im speziellen hat er die austenitischen, rostfreien Edelstähle behandelt.
Ob das einen Unterschied macht weiß ich nicht.

Das Stickstoff darin soweit zum Teil als Nitrid abgebunden ist wäre soweit richtig, aber der interstitiell gelöste Teil würde als N2 auf den Zwischengitterplätzen liegen.

Aber das wäre doch dann ein Gasmolekül und genauso schädlich wie bei der Wasserstoffverspödung.

Normal dürfte doch überhaupt kein N2 in der Legierung vorliegen, sondern der nicht als Nitrid gebundene Stickstoff müsste einatomar als N auf den Zwischengitterplätzen sitzen.

Oder ist es eine Mischunga su beiden?

Ich weiß es nicht.
Mein Sohn ist völligst fertig, weil der Lehrer ihn nicht leiden kann und ihm das seinen Notenschnitt in dem Fach versaut.

Ich habe schon bei zwei Metallografie Laboren angerufen, aber die interessiert das Null!

Ich hoffe ihr könnt hier unterstützen.

 

[Valentinian II]

Eigenständige Nitride kommen nur vor, wenn sehr viel Stickstoff in der Legierung vorhanden ist oder sehr wenig Kohlenstoff. Es kommt also u. A. auf das Verhältnis von C zu N an. Falls deutlich mehr C als N vorhanden sind, wird das N in Carbide anstelle von C eingebaut und zwar in der Regel auf dessen Gitterplätzen und nicht etwa in Fehlstellen in Gittern oder Zwischengitterplätzen des Carbids.

Zu "gelöstem" Stickstoff würde ich aus dem Bauch heraus auch sagen, dass der einatomar in den Oktaederlücken des Austenits sitzt. Da müsste ich nochmal nachlesen, vielleicht komme ich da heute abend zu, vielleicht nicht.

PS. Man bekommt keine 5 bloß wegen so einem Detailfehler, sofern das keine Dissertationsverteidigung eines angehenden Festkörperchemieprofessors mit Spezialisierung auf Nitride in Stählen war. Da muss noch etwas anderes im Argen sein.

 

[uuups]

Wer will den in der Schule ernsthaft so was wissen?

Wie auch immer, die Frage finde ich auch spannend.

Bei Baustahl oder niedriglegierten Stählen ist N eigentlich immer ein unerwünschter Stahlbegleiter.
Diesen versucht man durch die Zugabe einer ausreichenden Menge an Al, Ti, V, oder Nb zu binden, um z.B. Reckalterung zu vermeiden.

Bei austenitischen Edelstählen, die Meerwasserbeständig (z.B. 1.3974) seien sollen ist
neben Cr und Mn auch N enthalten um die Beständigkeit gegen Loch- oder Spaltkorrosion zu erhöhen.
Was genau er dabei bewirkt und wie er eingelagert ist weiß ich so leider auch nicht.
Bei "normalen" anderen Austeniten (1.4301 oder 1.4404 oder 1.4571) ist der N IHMO noch nicht mal reglementiert.

In martensitischen Messerstählen (H1 oder LC200N), die möglichst korrosionsbeständig seien sollen wird auch N zulegiert (so 0,1 bis 0,5%)
Dies zählt jedoch zu den "neueren", sehr spezielles Verfahren und die entsprechenden Stähle sind eher Exoten.
Ich vermute mal er nimmt einen Teil der Nebengitterplätze ein, die sonst der C belegt...
Warum er im Gegensatz zu C die Korrosionsbeständigkeit erhöht ist ist mir bis jetzt leider relativ schleierhaft.
(Wilde Vermutung, N bildet im Gegensatz zu C keine Chromkarbide und der Cr bleibt für den Korrosionsschutz erhalten...???)

ev. kann Herbert oder jemand anderes da ja noch was zu sagen...

 

[Hauzi]

Leider bin ich kein Metellurge, jedoch habe ich mir vor 2 Monaten einen Stickstofflegierten Messerstahl "auf Lager" gelegt.

Messerstahl / Klingenstahl kaufen | Messerschmiede Gobec (https://www.gobec.at/webshop/index.php?site=show_items&category=7)
Nitro N und Nitro V

Evtl. kannst du mit den zugehörigen Links etwas Licht reinbringen:
Nitro B/N : Böker Outdoor & Collection (https://www.boker.de/lexikon/nitro-b/)
Nitro V : Nitro-V Klingenstahl Review - SomeKnifeReviews (https://someknifereviews.com/de/klingen-stahle/nitro-v/)

Liebe Grüße
Udo

 

[recurveman]

Bei 1.4301 ist der Stickstoff auf max 0,11% begrenzt, bei sehr vielen ähnlichen Austiniten ist er ähnlich eingeschränkt.
Bei 1.4571 gibt es dies Begrenzung nicht.

 

[Azkaenion]

Ich benötige halt tatsächlich eine Literaturstelle mit der ich schwarz auf weiß belegen kann, wie der Stickstoff in der Legierung gelöst ist.
Mengenangaben etc. bringen da leider soweit nix.

Ist aber voll lieb von euch das ihr hier so helft.

 

[UE1]

Ich benötige halt tatsächlich eine Literaturstelle mit der ich schwarz auf weiß belegen kann, wie der Stickstoff in der Legierung gelöst ist.

Guck Mal bei Google, ob du ein PDF vom "Mortimer" also Grundlagen der Chemie findest. Im hinteren Teil werden Metalle, also auch deine Anfrage beschrieben.
Andernfalls, über Google Scholar nach deiner Anfrage suchen und entsprechende Paper oder Abhandlungen durchstöbern. Meist findest Du sowas schon im Abstract.

Gruß

 

[Azkaenion]

Bin schon den ganzen Tag am Abhandlungen googeln und lesen. Aber es ist immer das Gleiche. Bei den Legierungselementen oder auch störende Begleitelemente werden immer einatomig genannt. Jetzt weiß ich nicht ob das einfach an der Schreibweise der feststoffchemiker liegt, oder ob es so selbstverständlich ist, dass man in Dissertationen nicht extra darüber aufklären muss.
Aber vielen lieben Dank für den Tipp und was du gepostet hast werde ich auch gleich mal googeln.

 

[Azkaenion]

Hab einen Professor für Werkstofftechnik angeschrieben.
Seine Antwort möchte ich euch natürlich nicht vorenthalten.
Danke das ihr so toll und engagiert geholfen habt.

Sehr geehrter Hr. xxx,



der interstitiell gelöste Stickstoff liegt in Metallen stets atomar vor. Stickstoff hat aber auch eine hohe Affinität zu anderen Elementen. In Anwesenheit von geringen Mengen Aluminium verbindet sich der Stickstoff zu Aluminiumnitride. Im reinen Eisen ist die Löslichkeit von Stickstoff begrenzt. Bei Überschreiten der Löslichkeit bilden sich Eisennitride.

Molekularer Stickstoff taucht beim Nitrieren von Eisenlegierungen auf, jedoch nur an der Oberfläche und dort bildet der molekulare Stickstoff Blasen.



Mit freundlichen Grüßen
Prof. Dr. xxx

Namen ausgeixt. Deinen (weil das nicht sein muss) und den Deines Ansprechpartners (der vielleicht auch nicht will dass sein Name im Web steht). Daetnschutz fängt im Hirn an, noch vor der DSGVO.
Danke - Pitter

 

[Valentinian II]

Hatte das Folgende erst als PN auf eine Frage geschrieben, es aber dann ausgeschnitten und schreibe es lieber hier rein, weil es vielleicht nicht nur @Azkaenion interessiert. Ich bin zwar nicht auf Festkörperchemie spezialisiert, aber ein paar Grundlagen kann ich hier trotzdem noch hinzufügen.

Stahl besteht, wie die meisten kristallinen Feststoffe, eigentlich aus vielen, vielen kleinen Kristallen. Das Gegenteil davon wäre ein sogenannter Einkristall, wo der ganze Festkörper aus nur einem einzigen Kristall besteht. Ein Beispiel für einen Einkristall sind Silicium-Wafer, die für elektronische Bauteile wie Mikrochips etc. verwendet werden.

Die kleinen Kristalle, die zusammen den Festkörper bilden, nennt man Kristallite und man sieht sie mit bloßem Auge in der Regel nicht. Die Kristallite müssen innerhalb desselben Feststoffes auch gar nicht dieselbe Zusammensetzung haben. Bei einem austenitischen Stahl ist es im einfachsten Fall so, dass einige der Kristallite Austenit sind und die entsprechende Kristallstruktur haben und einige Kristallite eben Eisencarbid. In der Praxis ist es allerdings noch etwas komplizierter, so können neben Kristalliten aus Austenit auch noch solche, die aus anderen Eisenmodifikationen (also Eisen, das ein anderes Kristallgitter hat) bestehen vorliegen und Carbide können sich ja nicht nur mit Eisen bilden, sondern auch noch mit anderen Elementen, die im Stahl so vorhanden sind, wie Chrom, Vanadium, Niob, Wolfram und viele mehr.

Die Gesamtheit aller Kristallite einer bestimmten chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur nennt man Phase. Dann spricht man eben von der austenitischen Phase, der perlitischen Phase, der martensitischen Phase oder auch der zementitischen Phase (Zementit ist Eisencarbid).

Wenn wir nun Stickstoff hinzufügen, können drei Dinge passieren:

1. Der Stickstoff kann einatomig in die Lücken des Kristallgitters des Eisens, wie zum Beispiel eben Austenit, eingebaut werden.
2. Der Stickstoff kann in ein Carbid wie zum Beispiel Zementit oder, besonders bei rostfreien Stählen mit hohem Chromanteil, Chromcarbid eingebaut werden. Dort ersetzt er dann teilweise den Kohlenstoff und sitzt auf dessen Gitterplätzen und nicht in den Gitterlücken.

Beides passiert immer gleichzeitig, was vermehrt vorkommt, ist sehr komplex und hängt von den Legierungselementen, den Verunreinigungen und ggf. einer Wärmebehandlung ab. Wenn der Stahl viel Stickstoff enthält und/oder wenig Kohlenstoff, kann auch noch etwas Drittes geschehen:

3. Der Stickstoff bildet mit Eisen und/oder weiteren Legierungselementen eine eigene Phase, d. h., es liegen dann beispielsweise Eisennitridkristallite oder Chromnitridkristallite vor. In diesen kann dann wiederum gelegentlich Kohlenstoff den Stickstoff auf dessen Gitterplätzen ersetzen. Wenn in einer solchen Phase Stickstoff und Kohlenstoff in relativ ähnlicher Menge vorkommen, werden sie manchmal auch Carbonitride bzw. Nitrocarbide genannt.

 

[Azkaenion]

Super Sache!

Wenn ich dich richtig verstehe dann sind C und N normal interstitiell gelöst.
Wenn sie aber zu Nitriden oder Carbiden reagieren, dann ist ieses Nitid oder carbid auf dem Platz der Substitutionselemente.

Bei Punkt 2 und 3 schreibst du das der Kohlenstoff auf Gitterplätzen sitzt.
Aber der sitzt doch auch auf den Zwischengitterplätzen.

Also interstitiell gelöst.

Oder?

 

[Valentinian II]

Im Austenit sitzt er zufällig statistisch verteilt in den Oktaederlücken des kubisch-flächenzentierten Kristallgitters, in den Carbiden auf festen, sich regelmäßig wiederholenden Gitterplätzen. Im Allgemeinen kristallisieren weder Carbide noch Nitride kubisch-flächenzentiert, sie haben also ein ganz anderes Kristallgitter.

 

[Azkaenion]

Ach so. . .
ich wollte die Carbide im austenitischen Gitter einplanen und da gibt es ja nur interstitiell gelöste Atome oder die Substitutionselemente.
Und auf einen dieser Plätze wollte ich die Carbide und die Nitride setzen.

Das ist ja alles noch viel komplizierter als gedacht.
Diese Oktaederlücken sind dann also die Zwischengitterplätze, also interstitiell gelöst.

Habe auch gelesen, dass es Elemente gibt wie C,N,H und O die eben nur interstitiell eingebaut werden können und das es Elemente wie z.b. Mn, Ni,Cr, FE, Cu etc. gibt die nur Substitutionselemente sind.

Und ein paar wenige wie z.b. Bor können als beides eingebaut sein.

 

[Valentinian II]

Das stimmt soweit, aber Carbide bilden eben ihre eigene Phase, die zwar im Stahl drin sind, aber doch ihr eigenes Ding machen. Stell dir ein ein paar Tage altes Rosinenbrötchen vor, das dein damals noch dreijähriger Sohn gelangweilt zwischen den Fingern zerkrümelt. Die Teigkrümel sind dann die Austenitkristallite und die Rosinen die Carbidkristallite. Schon im Rosinenbrötchen drin, aber sie sind keine Teigkrümel und auch nicht in Teigkrümeln drin.