成功的渗氮工艺必须能够满足冶金要求，包括显微组织、表面硬度、渗氮层深度，以及零件的尺寸和外观。
本文原作者Jim Oakes，翻译有较大改动，并融合了笔者的经验。
前言
渗氮是一种使氮原子渗入零件表层的化学热处理工艺，目的是获得高硬度、抗腐蚀以及耐磨的表面。与其它硬化工艺（比如渗碳）相比，渗氮的工艺温度不高，通常无需淬火，所以具有变形小的优势，被用于精度要求高、又有耐磨要求的零件。但是渗氮层一般较薄，不太适合用于承受重载荷的工况。
渗氮有不同的工艺方法，包括气体渗氮、离子渗氮和盐浴渗氮。本文将聚焦气体渗氮。
气体渗氮过程
气体渗氮时，一般是将零件放入密封的渗氮炉中，通入流动的氨气并加热，使得氨气分解产生氮。活性的氮原子被不断吸附到零件表面，并扩散渗入零件表层内部，从而改变表层的化学成分和组织结构。
气体渗氮包括排气、升温、保温、冷却四个过程。渗氮时一般先排气后升温，也可以排气和升温同时进行。保温阶段要严格控制氨气的流量、温度、氨气分解率和炉压。冷却降温时要继续通入氨气保持正压，防止空气进入使零件表面产生氧化色。
渗氮工艺要求
当对齿轮一类的零件进行渗氮时，通常会规定最终零件不得含白亮层。白亮层（white layer），也被称作化合物层（compound layer），是在渗氮过程中在零件表面形成的又硬又脆的组织。白亮层可以通过工艺控制减少，渗氮后的机加或者打磨去除。
前文说过，因为渗氮采用较低的工艺温度，通常无需淬火，使得零件的变形较小，尺寸能够保持完整性，因此我们不希望产生白亮层，这样可以减少甚至取消渗氮后的机加、打磨工序。
氨气的流速越大，排气中的氨比例就越高，零件也就暴露在更多的氨当中。氨的含量越高，分解率就越低，零件表面的活性氮就越多。大量的氨气会导致白亮层、网状氮化物和脆性表面。
两阶段渗氮工艺被用于获得合适的表面和渗氮层。第一阶段是吸氮过程，采用15%-30%的氨分解率获得富氮气氛，使得钢表面氮的浓度提高；第二阶段是扩散过程，采用65%-80%的氨分解率，降低氮的浓度并适当提高温度，使得吸收的氮往钢的心部扩散，逐步消除白亮层。这个两阶段工艺是最常用于控制白亮层厚度的方法。通过控制渗氮气氛，可以将白亮层降低到0.007mm以下，以减少渗氮后的机加或打磨的去除量。
尽管某些场合有益，但是基于制造和性能的要求，大部分氮化处理的零件都不期望白亮层。
工艺参数影响
渗氮零件将暴露在无氧、富氮的气氛中，通常是氮气、氨气、解离氨的混合气氛。炉子里的气氛会得到连续的补充，提供足够扩散进钢中的氮，形成氮化物。对于气体渗氮，工艺参数包括时间、温度和气氛。
首先是渗氮温度。渗氮工艺温度最常见的是在975℉到1050℉，不同零件材料略有区别，特殊应用可以低到650℉。渗氮温度越高，扩散速度越快，渗层越深。但是渗氮温度超过1000℉时，要控制好氮势不能过高，否则氮化物将聚集长大形成脆性白亮层。
其次是渗氮时间。渗氮层深度随渗氮时间的延长而增加，渗氮初期变化较快，随后减缓。因此过分延长保温时间不仅无法改善硬度，而且不经济。
最后是气氛。渗氮过程中，与零件表面接触的氨气才能有效提供活性氮原子。如前所述，氨的分解率越低，氮势越高，可渗入的氮原子的能力就越强。分解率过低时，零件表面产生脆性白亮层，此时可适当降低温度（10℃左右）。提高分解率的方法包括降低氨气的流速，增加氮或者解离氨或者氢气。
控制方法
为了执行闭环控制，必须要有一个能够测量气氛的方法。渗氮工艺工业化应用已经100多年，而在渗氮工艺发展早期，使用的控制参数是氨的分解率（%DA）。这个测量方法比较简单，操作工只需要使用滴定管测量气氛中残余氨气的比例，然后计算出氨的分解率，进一步分析后调整工艺气体的流速。但是该方法的测量方法是间断的。
随着自动化和传感器技术的发展，大概30年前引入了新的控制参数：氮势KN，用于测量气氛中的氮扩散到材料（铁）里的能力。KN的计算公式：KN=pNH3/(pH2)3/2，式子中的p指的是分压。如今很多规范中氮势都是指定的控制参数。基于对白亮层的严格要求，这就需要一套控制系统来监控炉内气氛和控制氮势。
为了实时控制引入炉中的气体，自动化控制系统可以连续测量，并直接使用气氛实时测量的数据。对于气体渗氮这一化学热处理工艺，使用的变量是要综合氮气、解离氨（DA，瓶装气或者从制氨机分解出来的）和氨气的影响。使用氢气分析仪对排气进行连续测量，是一种闭环控制方法，通过调整工艺气体满足期望的变量控制点。
此时，控制气氛的变量是KN和气流量，有利于将活性氮输送到待加工的零件上。测量排气中的氢含量就可以算出分解率DA或者氮势KN。当氨气分解成1份的氮，3份的氢，测量氢的含量就可以确定气氛中未分解的氨气比例。举例而言，假设测得的氢含量为30%，对应的氮就是10%，意味着40%的解离氨，剩下的60%就是氨气了。理解了排气中的氨气的分解率，就可以推算出零件表面的活性氮。
总结
渗氮工艺中，氨的分解率仍是重要的控制参数和方法，而氮势的引入，则代表了一种替代的变量，但是还缺乏这两个参数的有效性数据，用于判断孰优孰劣。因此，有些渗氮控制系统可以提供这两个参数控制方案供选择。
需要注意的是，气体渗氮对气体纯度的要求非常高，以确保渗氮工艺控制和计算的稳定性和可重复性。
