Karbonitrieren ist ein metallurgisches Oberflächenhärtungsverfahren, das verwendet wird, um die Verschleißfestigkeit von Metallteilen zu verbessern. Im Wesentlichen ähnlich den konventionellen Gasaufkohlungsverfahren wird beim Carbonitrieren eine Stickstoffkomponente in Form von Ammoniak eingeschlossen. Aufgrund der kürzeren Zykluszeiten und der niedrigeren Temperaturen ist das Verfahren wirtschaftlicher als das Aufkohlen, was es zu einem wünschenswerteren Verfahren für massenproduzierte, kostengünstige Teile macht. Darüber hinaus bietet das Verfahren zusätzliche Vorteile wie eine erhöhte Beständigkeit gegen Abschreckverzug. Es wird zum Einsatzhärten von Teilen wie Verzahnungen, Lagern und Werkzeugen mit verschiedenen Oberflächenhärtewerten und durchschnittlichen Einsatzdicken verwendet.
Das Oberflächen- oder Einsatzhärten von Metallteilen ist eine der ältesten und effektivsten Methoden zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit. Der Prozess erzeugt eine dünne Schicht oder Hülle aus härterem, verschleißfestem Material auf der Oberfläche des Teils, während die innere Struktur formbar und zäh bleibt. Das Aufkohlen ist die älteste Form des Einsatzhärtens und beinhaltet das Erhitzen des Teils in Gegenwart eines kohlenstoffreichen Materials. Der Kohlenstoff durchdringt die Oberfläche des Teils während dieses Prozesses und erzeugt dadurch beim schnellen Abschrecken oder Abkühlen eine sehr harte Oberflächenschicht. Carbonitrieren ähnelt dem Aufkohlen mit Ausnahme der Zugabe von Ammoniak zur Kohlenstoffquelle, niedrigerer Prozesstemperaturen und kürzerer Zykluszeiten.
Während des Prozesses wird Ammoniak zusammen mit dem Kohlenstoffmaterial als Stickstoffquelle eingeführt. Der Einschluss von Stickstoff ermöglicht kürzere Wärmeeinwirkungszyklen und niedrigere Prozesstemperaturen. Die durchschnittliche Temperatur eines herkömmlichen Aufkohlungsverfahrens beträgt 950 °C bis 3100 °C (510 °C bis 1700 °C) mit Karbonitriertemperaturen im Bereich von 1560 °F bis 2820 °F (850 °C bis 1550 °C). Diese Faktoren stellen eine erhebliche Einsparung bei den Produktionskosten dar und machen es somit zu einem idealen Einsatzhärteverfahren für großvolumige, kostengünstige Teile. Das Verfahren zeichnet sich auch durch geringere Abschreckverformungsraten, höhere Beständigkeit gegen Metallermüdung und höhere Schlagzähigkeit aus.
Die mit dem Carbonitrierungsverfahren möglichen Oberflächenhärtewerte reichen von 55 bis 62 HRC, und es sind durchschnittliche Einsatzdicken von 0.003 bis 0.02 Zoll (0.07–0.5 mm) erreichbar. In Fällen, in denen spezielle kombinierte Oberflächeneigenschaften erforderlich sind, kann das Teil zunächst bis zu einer Tiefe von 0.1 Zoll (2.5 mm) aufgekohlt und anschließend karbonitriert werden. Diese Verbundhärteverfahren haben den Vorteil, dass sie tiefere, länger haltbare einsatzgehärtete Bereiche mit der erhöhten Schlagzähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit des Karbonitrierens bieten. Zu den Teilen, die üblicherweise durch Karbonitrieren einsatzgehärtet werden, gehören Befestigungselemente, Sicherungsstifte, Zahnräder, Lager, Wellen, Nocken und Werkzeuge.