窒化の基礎：焼入れなしで行うガス窒化とプラズマ窒化

異なる硬化原理

浸炭とは異なり、窒化は相変態に依存しません。部品はおおよそ 500–580 °C まで加熱されます。これは鋼の焼戻し温度と変態温度より低い温度であり、窒素を供給する環境（アンモニアガス、または窒素プラズマ）の中で行われます。窒素が拡散して入り、鋼中の合金元素と微細で硬い窒化物を形成します。その後に何も焼入れされないため、変形は最小限であり、仕上げ済みの部品を処理できます。

二つのゾーン

窒化された表面には、異なる二つの領域があります。

• 化合物層（「ホワイトレイヤー」） — 窒化鉄の薄い表面膜であり、厚さは通常、数マイクロメートルから数十マイクロメートルです。非常に硬く、スカッフィングと腐食に耐えますが、脆くなることがあります。精密部品や疲労負荷を受ける部品では、ラッピングによって制限されたり除去されたりすることが多くなります。
• 拡散層 — その下では、固溶した窒素と合金窒化物の析出物が、硬さを芯部のレベルまで徐々に戻していきます。全ケース深さは通常約 0.2–0.7 mm であり、浸炭ケースよりもはるかに浅くなります。より低い温度では拡散が遅く、サイクル自体がすでに数十時間に及ぶためです。

表面硬さは鋼に強く依存します。アルミニウムとクロムを含む鋼種はおおよそ 1000 HV を超えることがありますが、普通炭素鋼は表面保護以上のものをほとんど得られません。窒化物を形成する元素を欠いているためです。

窒化に適した鋼

窒化用鋼は、アルミニウム、クロム、モリブデン、バナジウムで意図的に合金化されています。

• 1.8550 (31CrMoV9) — 古典的な専用窒化用鋼であり、予備硬化された状態で供給されます。
• 4140 / 42CrMo4 — 中程度のケース硬さで十分な軸や歯車向けに広く窒化されます。
• H13 (1.2344) — 熱間工具用金型は、ダイカスト用途における焼付きやヒートチェックに耐えるため、日常的に窒化（または軟窒化）されます。
• ステンレス鋼やマルエージング鋼種には、耐食性や時効組織を損なわないための、それぞれ独自の低温向け派生法があります。

重要なプロセス規則

1. まず予備硬化する。 芯部は窒化の前に焼入れ・焼戻しされ、最終焼戻し温度は窒化温度を安全に上回らなければなりません。そうでなければ、サイクル自体が芯部を過剰に焼戻ししてしまいます。
2. 粗加工後に応力除去焼なましを行うことで、窒化サイクルに二つの役割を負わせないようにします。
3. ガスとプラズマの比較。 ガス窒化は経済的なバッチ処理の標準です。プラズマ（イオン）窒化はホワイトレイヤーの制御がより良好で、ステンレス鋼種にもより容易に適用でき、機械的に部位をマスキングすることもできますが、設備コストは高くなります。
4. 焼入れがないことは、救済もないことである。 表面欠陥、脱炭、あるいは軟らかい芯部の状態で入ったものは、出てくるときにもそのまま残ります。準備の品質が結果を決めます。

窒化と浸炭の比較

二つのケース処理は競合するものではなく、補完し合うものです。浸炭はより深いケース（通常 0.5–2 mm のクラス）、より高い負荷容量、大量生産される歯車でのより低い単価を与えますが、焼入れが必要であり、それに伴う変形と仕上げ研削が続きます。窒化はより浅いケースとより低い接触負荷の限界を与えますが、部品は処理前に仕上げ加工でき、寸法安定性を保ったまま仕上がり、耐食性とスカッフィング挙動もより良好です。判断を左右する要因は通常、必要とされるケース深さ、変形の許容度、そして対象の鋼が窒化の依拠する窒化物形成元素を含んでいるかどうかです。