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钢加热时的主要固态相变是非奥氏体相向奥氏体相的转变、即奥氏体化的过程。整个过程都和碳的扩散有关。合金元素中、非碳化物形成元素如镍、钴等、降低碳在奥氏体中的激活能、增加奥氏形成的速度；而强碳化物形成元素如钒、钛、钨等、强烈妨碍碳在钢中的扩散、显著减慢奥氏体化的过程。钢冷却时的相变是指过冷奥氏体的分解、包括珠光体转变(共析分解)、贝氏体相变及马氏体相变。

由于钢中大都存在几种合金元素的相互作用、致使对钢冷却时相变的影响也复杂得多。仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例、大多数合金元素、除钴和铝外、均起减缓奥氏体等温分解的作用、但各类元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的(如硅、磷、镍、铜)和少量的碳化物形成元素(如钒、钛、钼、钨)、对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大、因而使转变曲线向右推移。

碳化物形成元素(如钒、钛、铬、钼、钨)如果含量较多、将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟、但对奥氏体向贝氏体的转变的推迟并不显著、因而使这两种转变的等温转变曲线从“鼻子”处分离、而形成两个 C形。当这类元素增加到一定程度时、在这两个转变区域的中间还将出现过冷奥氏体的亚稳定区。合金元素对马氏体转变温度Ms (起始转变温度)和Mn (终了转变温度)的影响也很显著、大部分元素均使Ms和Mn点降低、其中以碳的影响*大、其次为锰、钒、铬等；但钴和铝则使Ms和Mn点升高。

一段渗氮、二段渗氮和三段渗氮、近年来又发展了气相催渗等新工艺方法。后者主要是通过催渗剂使工件表面净化、加快渗氮速度、减少“白层”、但缺点是渗氮层表面容易产生腐蚀微孔。

①一段渗氮法、又称为等温渗氮法。在渗氮过程中渗氮温度和氨分解率保持不变。渗氮温度一般为450~530℃。适用于要求高硬度低变形的浅层渗氮、渗氮层含量分布比较陡峭。一般处理周期比较长、使工件表面形成一层比较厚的化合物层、从而导致脆性、在使用过程中、该层容易剥落。

②二段渗氮是把处理过程分为两个阶段。第一段采用较低的渗氮温度(如525℃)和较低的氨分解率、使工件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层;第二段则提高温度(535~550℃)和氨分解率、促使表面氮原子以较快的速度向里扩散、这样既保证了渗氮层有足够高的硬度、又可缩短渗氮时间、同时还可限制化合物层的厚度、使渗层中氮浓度分布趋于平缓。

③三段渗氮是在二段渗氮法的基础上再增加一段低温阶段、可以适当提高氨分解率、以减少工件表面的高氮脆性、这就是人们所熟知的“扩散处理”;或者采用与第一阶段相同的氨分解率、以补充工件表面的氮含量的消耗、要视具体情况分别对待。

对H13钢渗氮10~40h500℃、550℃两段渗氮的渗氮层进行的X射线指出、扩散层中α相谱线的位置向小角度方向偏移、面间距增大。越接近化合物层、氮溶入量越多、偏移越大;随着渗层的深入、含氮量逐步减小、偏移也减小。由面间距的增量推算、α相中的溶氮量可能因合金元素的影响有了大幅度的增加、从纯铁中原来的0.1%氮提高到0.5%~1%氮。过饱和α相在时效过程中可能形α’相超结构、或者析出合金氮化物。

X射线相分析只能分辨出渗层中有MN型氮化物析出、但不能定出MN是哪一种氮化物。

经透射电镜观察、渗层中(化合物层和扩散层)有很多合金氮化物、它们分布在晶界和晶内、特别集中分布在合金碳化物的界面上、其尺寸在1~20nm。经电子衍射分析和EDAX能谱仪分析萃取复型弥散析出物微区成分后指出、弥散的合金氮化物是CrN、Mo2N和VN。因为这类氮化物大多集中在合金碳化物的界面上、因此它们可能是通过合金碳化物转变而来;其他部位析出的氮化物可能通过其他机理形成、例如扩散层中过饱和时目的析出。H13钢化合物层的硬度在950~1288HV之间、扩散层硬度在567~950HV、基体硬度为486HV。

国内外已对该钢的气体氮化进行了很多研究、但对于此种渗氮工艺下氮在该钢中的扩散机理与分布规律等基础性研究尚未见到相关报道、它直接影响着该工艺在复杂工件表面处理时的应用。

(2)离子渗氮、离子渗氮就是在真空室中加入含氮元素的气体、把工件作为阴极、在阴极和阳极间施加高压、使气体产生辉光放电、一方面使工件加热、另一方面撞击工件表面使氮向工件内部扩散。离子渗氮通常在300~580℃内进行、温度低、时间短、渗层致密、提高了渗氮件耐磨性、

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