Grundlæggende nitrering: Gas- og plasmanitrering uden hærdning

Et andet hærdningsprincip

I modsætning til opsætning bygger nitrering ikke på en faseomdannelse. Dele opvarmes til omtrent 500–580 °C — under stålets anløbnings- og omdannelsestemperaturer — i et kvælstofafgivende miljø (ammoniakgas, eller et kvælstofplasma). Kvælstof diffunderer ind og danner fine, hårde nitrider med legeringselementerne i stålet. Fordi intet hærdes bagefter, er deformationen minimal, og færdige dele kan behandles.

De to zoner

En nitreret overflade har to adskilte områder:

• Forbindelseslag («hvidt lag») — en tynd overfladefilm af jernnitrider, typisk fra få mikrometre til få snese mikrometre tyk. Det er meget hårdt, modstår rivning og korrosion, men kan være skørt; på præcisionsdele eller udmattelsesbelastede dele begrænses det ofte eller fjernes ved lapning.
• Diffusionszone — under det hæver kvælstof i opløsning og udfældninger af legeringsnitrider gradvist hårdheden tilbage til kerneniveau. Totale indsatsdybder er typisk omkring 0.2–0.7 mm, meget lavere end opsatte indsatser, fordi den lavere temperatur gør diffusionen langsommere, og cyklusser allerede varer snesevis af timer.

Overfladehårdheden afhænger stærkt af stålet: kvaliteter med aluminium og chrom kan overstige omtrent 1000 HV, mens almindelige kulstofstål ikke opnår meget mere end overfladebeskyttelse — de mangler de nitriddannende elementer.

Stål, der nitreres godt

Nitreringsstål legeres bevidst med aluminium, chrom, molybdæn og vanadium:

• 1.8550 (31CrMoV9) — det klassiske dedikerede nitreringsstål, leveret forhærdet.
• 4140 / 42CrMo4 — udbredt nitreret til aksler og tandhjul, hvor moderat indsatshårdhed er tilstrækkelig.
• H13 (1.2344) — varmarbejdsforme nitreres rutinemæssigt (eller nitrocarburereres) for at modstå fastlodning og varmerevner i trykstøbeanvendelse.
• Rustfrie og maraging-kvaliteter har deres egne lavtemperaturvarianter for at undgå at skade korrosionsbestandigheden eller den ældede struktur.

Procesregler, der betyder noget

1. Forhærd først. Kernen hærdes og anløbes før nitrering, og den endelige anløbningstemperatur skal ligge sikkert over nitreringstemperaturen — ellers overanløber cyklussen selv kernen.
2. Spændingsaflast efter grovbearbejdning, så nitreringscyklussen ikke bliver bedt om at udføre to opgaver.
3. Gas vs plasma. Gasnitrering er den økonomiske batchstandard. Plasma (ion)nitrering giver bedre kontrol med det hvide lag, arbejder lettere på rustfrie kvaliteter og kan afdække områder mekanisk, til højere udstyrsomkostninger.
4. Ingen hærdning betyder ingen redning. Overfladedefekter, afkulning eller en blød kerne ved indgangen vil stadig være der ved udgangen — forberedelseskvaliteten afgør resultatet.

Nitrering versus opsætning

De to indsatsprocesser er komplementer, ikke konkurrenter. Opsætning giver dybere indsatser (almindeligvis i klassen 0.5–2 mm), højere belastningskapacitet og lavere enhedsomkostninger på tandhjul i stor volumen, men den kræver en hærdning, med den deformation og færdigslibning, der følger. Nitrering giver lavere indsatser og lavere grænser for kontaktbelastning, men delen kan færdigbearbejdes før behandling og fremstår dimensionsstabil, med bedre korrosionsbestandighed og rivningsadfærd. De afgørende faktorer er normalt den krævede indsatsdybde, tolerancen for deformation og om det pågældende stål indeholder de nitriddannende elementer, som nitrering afhænger af.