Das Dünnschichtnitrieren ist ein thermochemisches Verfahren zur Oberflächenhärtung metallischer Werkstoffe, insbesondere von Stählen, bei dem Stickstoff in die oberste Schicht des Werkstücks diffundiert. Diese Form des Nitrierens zeichnet sich durch eine geringe Einhärtetiefe im Bereich weniger Mikrometer bis maximal etwa 50 Mikrometer aus, wodurch es sich von konventionellen Nitrierverfahren mit höheren Eindringtiefen unterscheidet.

Während des Prozesses wird das Werkstück in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, meist Ammoniakgas (NH₃) oder Plasma, auf Temperaturen zwischen 450 °C und 600 °C erhitzt. Durch die thermische Aktivierung dissoziiert das Ammoniak, sodass atomarer Stickstoff freigesetzt wird, der in die Oberfläche des Werkstoffs diffundiert. In Abhängigkeit von der Prozessführung und der Werkstoffzusammensetzung können sich dabei unterschiedliche nitrierte Phasen, insbesondere die Verbindungsschicht aus ε-Fe₂₋₃N und γ'-Fe₄N sowie die darunterliegende Diffusionszone mit gelösten Stickstoffatomen, ausbilden.

Die geringe Schichtdicke des Dünnschichtnitrierens führt zu einer gezielten Modifikation der Oberflächeneigenschaften, ohne dass das Gefüge des Grundmaterials wesentlich verändert wird. Typische Effekte sind eine erhöhte Härte, verbesserte Verschleißbeständigkeit und gesteigerte Korrosionsresistenz. Darüber hinaus können durch die Einbringung von Druckeigenspannungen die Dauerfestigkeit und die Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung wie Ermüdung erhöht werden. Im Gegensatz zu tieferen Nitrierprozessen bleibt die Maßhaltigkeit des Bauteils weitgehend erhalten, da der thermische Verzug aufgrund der geringen Temperatur und der begrenzten Diffusion minimiert wird.

Das Dünnschichtnitrieren wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Oberflächenhärte erforderlich ist, jedoch keine tiefgehende Härtung erwünscht ist, beispielsweise bei hochpräzisen Bauteilen in der Feinmechanik oder in der Medizintechnik. Durch gezielte Prozessparametersteuerung lassen sich die resultierenden Eigenschaften präzise an die jeweiligen Anforderungen anpassen.