Plasma Nitriding of Steels

1 Introduction ………………………………….. 1
1.1 Surface Layers Formed by Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Compound (White) Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Diffusion Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Methods of Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Liquid Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Gas Nitriding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Conventional DC Plasma Nitriding …………………… 9
2.1 Microstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Martensitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.3 Precipitation Hardening Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.4 Tool Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.5 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 Martensitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.3 Precipitation Hardening Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.4 Tool Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.5 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3 Corrosion Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 Martensitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.3 Precipitation Hardening Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.4 Tool Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.5 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Pulsed DC Glow Discharge Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 Microstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.2 Martensitic Stainless Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.3 Precipitation Hardening Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.4 Ferritic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.5 Tool Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.6 Constructional and Structural Steels . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.2 Martensitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.3 Ferritic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.4 Tool Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.5 Constructional and Structural Steels . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3 Corrosion Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.1 Austenitic Stainless Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.2 Martensitic Stainless Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.3 Precipitation Hardening Stainless Steels . . . . . . . . . . . . 119
3.3.4 Tool Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.5 Constructional and Structural Steels . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4 Active Screen Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1 Microstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.1.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.1.2 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . 134
4.2 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2.2 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3 Corrosion Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.2 Structural and Constructional Steels . . . . . . . . . . . . . . 156
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5 Radiofrequency (RF) Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.1 Microstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.1 Austenitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.2 Martensitic Stainless Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.1.3 Tool Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.1.4 Constructional and Structural Steels . . . . . . . . . . . . . . 170
5.2 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.3 Corrosion Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6 Other Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.1 Microwave Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2 Electron Beam Excited Plasma Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.3 Plasma Radical Nitriding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

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