气体氮化是一种在钢铁表面渗入氮元素以形成硬化层的化学热处理工艺。其核心过程可分为三个阶段：

1. 氨气分解

氮化通常以无水氨气（或氨气与氢气、氮气的混合气体）作为供氮介质。氨气本身化学性质不稳定，在400～600℃的氮化温度下会发生显著分解：

$2N{H}_3\to 2[N]+6[H]$

分解产生的活性氮原子处于新生态，具有极高的化学活性。其中一部分被工件表面捕获并向内部扩散，另一部分则迅速结合成稳定的分子态氮气和氢气，随废气排出。因此，实际分解过程可表示为：

$2N{H}_3\to 3H_2+N_2$

为确保氮化反应持续进行，必须连续向炉内补充氨气，以维持活性氮原子的持续供给。

2. 表面吸氮

高活性的氮原子被钢件表面吸附后，首先溶入铁素体晶格中，形成含氮过饱和的铁素体固溶体；当氮浓度超过溶解度极限时，便会在表层形成氮化物相。

3. 氮原子扩散

表面与心部之间形成的氮浓度梯度是扩散的驱动力。氮原子从表层向心部迁移，逐步形成具有特定厚度的氮化层。具体扩散机制包括：

• 炉气中的氨分子持续向金属表面迁移并被吸附；

• 在金属/气体界面，氨分子分解为氮原子和氢原子；

• 未参与反应的活性原子复合为分子态排出；

• 表面吸附的氮原子溶解于奥氏体（γ-Fe）或铁素体（α-Fe）中；

• 氮原子由表及里扩散，形成浓度梯度；

• 当氮含量超过α-Fe的固溶度后，表层开始析出氮化物；

• 氮化物沿垂直和平行于表面的方向生长，依次形成γ'相（Fe₄N）和ε相（Fe₂₋₃N）；

• 氮化层持续增厚，同时氮从氮化物层向金属内部进一步扩散。

工艺控制要点

氮化层的组织与性能受温度、保温时间、炉气压力、介质成分（氮势）以及钢材成分和原始组织等多因素耦合影响。工艺优化的核心在于精确调控这些参数，以获得理想的氮化层深度、硬度梯度及相组成。