Basisprincipes van nitreren: gas- en plasmanitreren zonder afschrikken

Een ander hardingsprincipe

In tegenstelling tot carboneren berust nitreren niet op een fasetransformatie. Onderdelen worden verhit tot ongeveer 500–580 °C — onder de ontlaat- en transformatietemperaturen van het staal — in een stikstofleverende omgeving (ammoniakgas, of een stikstofplasma). Stikstof diffundeert naar binnen en vormt fijne, harde nitriden met de legeringselementen in het staal. Omdat er daarna niets wordt afgeschrikt, is de vervorming minimaal en kunnen afgewerkte onderdelen worden behandeld.

De twee zones

Een genitreerd oppervlak heeft twee afzonderlijke gebieden:

• Verbindingslaag ("witte laag") — een dunne oppervlaktefilm van ijzernitriden, doorgaans enkele micrometers tot enkele tientallen micrometers dik. Ze is zeer hard, bestand tegen vreten en corrosie, maar kan bros zijn; op precisie- of vermoeiingsbelaste onderdelen wordt ze vaak beperkt of door leppen verwijderd.
• Diffusiezone — daaronder verhogen stikstof in oplossing en precipitaten van legeringsnitriden de hardheid geleidelijk terug naar het kernniveau. Totale randzonediepten zijn doorgaans ongeveer 0.2–0.7 mm, veel ondieper dan gecarboneerde randzones, omdat de lagere temperatuur de diffusie vertraagt en cycli al tientallen uren duren.

De oppervlaktehardheid hangt sterk af van het staal: aluminium- en chroomhoudende kwaliteiten kunnen ongeveer 1000 HV overschrijden, terwijl ongelegeerde koolstofstaalsoorten weinig meer winnen dan oppervlaktebescherming — ze missen de nitridevormende elementen.

Staalsoorten die goed nitreren

Nitreerstaalsoorten zijn doelbewust gelegeerd met aluminium, chroom, molybdeen en vanadium:

• 1.8550 (31CrMoV9) — het klassieke speciale nitreerstaal, voorgehard geleverd.
• 4140 / 42CrMo4 — veelvuldig genitreerd voor assen en tandwielen waar matige randzonehardheid volstaat.
• H13 (1.2344) — matrijzen voor warmwerk worden routinematig genitreerd (of genitrocarboneerd) om solderen en warmtescheurtjes in spuitgiettoepassingen tegen te gaan.
• Roestvast staal en maraging-kwaliteiten hebben hun eigen lagetemperatuurvarianten om corrosiebestendigheid of de verouderde structuur niet aan te tasten.

Procesregels die ertoe doen

1. Eerst voorharden. De kern wordt vóór het nitreren afgeschrikt en ontlaten, en de uiteindelijke ontlaattemperatuur moet veilig boven de nitreertemperatuur liggen — anders ontlaat de cyclus zelf de kern te ver.
2. Spanningsarm gloeien na voorbewerking, zodat de nitreercyclus niet twee taken hoeft te doen.
3. Gas versus plasma. Gasnitreren is de economische batchstandaard. Plasmanitreren (ionennitreren) biedt betere beheersing van de witte laag, werkt gemakkelijker op roestvaste kwaliteiten en kan gebieden mechanisch maskeren, tegen hogere apparatuurkosten.
4. Geen afschrikking betekent geen redding. Oppervlaktedefecten, ontkoling of een zachte kern bij aanvang zullen er bij uitgang nog steeds zijn — de voorbereidingskwaliteit bepaalt het resultaat.

Nitreren versus carboneren

De twee randzoneprocessen zijn complementen, geen concurrenten. Carboneren geeft diepere randzones (doorgaans in de klasse 0.5–2 mm), hogere belastbaarheid en lagere kosten per eenheid bij tandwielen in grote volumes, maar het vereist een afschrikking, met de vervorming en het naslijpen die daarop volgen. Nitreren geeft ondiepere randzones en lagere limieten voor contactbelasting, maar het onderdeel kan vóór de behandeling worden nabewerkt en komt maatvast naar buiten, met betere corrosiebestendigheid en beter gedrag tegen vreten. De doorslaggevende factoren zijn doorgaans de vereiste randzonediepte, de tolerantie voor vervorming en of het betreffende staal de nitridevormende elementen bevat waarvan nitreren afhankelijk is.