气体渗氮原理与氮势 Kn：为什么要控制 Kn 而不只是分解率

• 渗氮温度约 500–580 °C，钢处于铁素体状态，无相变、变形小
• 反应：2NH₃ → 2[N] + 3H₂
• Kn = p(NH₃) / p(H₂)^1.5，单位 bar^-0.5
• 分解率只是间接指标，Kn 才直接决定表面氮活度
• 可控渗氮可精确控制白亮层厚度与相组成

渗氮的基本过程

氨气进入炉内后，在钢表面（铁起催化作用）发生分解：

2NH₃ → 2[N] + 3H₂

分解产生的活性氮原子一部分渗入钢中，一部分结合成 N₂ 离开。渗入的氮：

• 在表面达到一定浓度后形成化合物层（ε-Fe₂₋₃N 和/或 γ′-Fe₄N，俗称白亮层）；
• 在化合物层下方以固溶和合金氮化物析出的形式形成扩散层。

由于温度低于钢的相变温度，渗氮过程中无相变，零件变形小，渗后通常不需要淬火。

氮势 Kn 的定义

Kn = p(NH₃) / p(H₂)^1.5

p 为炉气中氨和氢的分压（bar 或 atm），因此 Kn 单位为 bar^-0.5。

Kn 越高，气氛的渗氮能力越强，越容易形成化合物层甚至 ε 相；Kn 越低，越倾向于只形成扩散层或 γ′ 相。

为什么不只看分解率

传统渗氮通过测“氨分解率”控制工艺：分解率低意味着未分解氨多，渗氮能力强。但分解率与 Kn 之间并不是固定关系：

• 加入 N₂ 或预分解氨稀释时，同样分解率对应的 Kn 不同；
• 炉内温度、装炉面积（催化表面）、气体流量都会影响分解率；
• 分解率测量（传统的水吸收法分解率计）精度和自动化程度有限。

因此，以 Kn 为控制变量，通过测量氢（或氨）含量实时计算 Kn，并调节氨气与稀释气比例，是可控渗氮的核心。

可控渗氮的优势

1. 精确控制化合物层厚度和相组成（ε / γ′）；
2. 可以实现“无化合物层”的扩散层渗氮；
3. 工艺可重复，适合航空航天、风电、汽车等要求高的领域；
4. 节约氨气，减少排放；
5. 满足 AMS2759/10 等以氮势控制为核心的规范。