气体渗氮是渗氮工艺的一种，其过程包括气氛的形成、吸附、分解、吸收和扩散五个基本过程。从微观角度描述则包括渗剂中的反应、渗剂中的扩散、相界面反应、被渗元素在钢铁中的扩散及扩散过程中氮化物的形成。钢件渗氮后，具有极高的硬度与耐磨性。如38CrMoAl钢渗氮层硬度可达950～1200HV（相当于65～72HRC），远高于渗碳淬火层。

气体渗氮技术发明于20世纪20年代，30年代以后逐步获得广泛应用。二次大战后，世界工业高速发展，使渗氮工艺从用钢、工艺方法、技术参数、氮浓度和组织控制，催渗剂等都有很大的进展，到80年代应用计算机实现了氮势的自动控制。从而使气体渗氮处理更广泛地应用于机床、内燃机、航空航天、核工业等重要的工业领域。60年代以来辉光离子渗氮法，虽然获得广泛的工业应用，但在许多情况下气体渗氮仍不失为一种有效的材料表面强化手段。中国钢的气体渗氮应用虽然起步较晚，但很多工厂都已拥有气体渗氮处理装备，多数的电炉制造厂都能具备生产气体渗氮炉的能力，大部分设备能够通过计算机控制工艺参数和氮势，这对改善渗氮层质量和综合性能有重要意义。

首先，渗剂发生反应分解生成活性氮原子，然后活性氮原子通过渗剂中的扩散输送至工件表面，在界面反应过程中产生的活性氮原子被钢表面吸收，并向内部扩散。使用最多的气体渗剂为氨气。气体渗氮过程中的化学反应如下。

氨在渗氮温度下为亚稳定状态，会发生如下分解反应：

活性氮原子[N]被钢表面吸收，溶解在α-Fe中组成固溶体α'-Fe(N)：

当活性氮原子[N]浓度超过在α-Fe中的溶解度后，将在表层开始形成氮化物；氮化物沿金属表面的垂直方向和平行方向长大；表面依次形成γ'-Fe₄N相和ε-Fe_2-3N相；氮化物层不断增厚；氮从氮化物层向金属内部扩散。

随着表面含氮量的提高，α-Fe固溶体中形成自表面至心部的氮的浓度梯度，氮原子不断地向内层扩散，逐渐形成渗氮层。

气体渗氮工艺时间较长，生产效率低。渗氮是反应扩散过程，扩渗的速度取决于氮在各相中的扩散系数。通过提高渗氮温度可使工件表面氮原子量增加，同时也提高了氮在各相中的扩散系数。然而，较高的渗氮温度也会导致氮化物的聚集、粗化，从而降低表面硬度。氮在α-Fe相中的扩散速度最快，相比之下在ε-Fe_2-3N相和γ'-Fe₄N相中的扩散速度要降低2～3个数量级，因此表面化合物层的形成会阻碍氮的渗入。为提高渗氮效率，缩短工艺时间，气体渗氮工艺由恒温的一段渗氮调整为分段式渗氮，常见的有二段氮化与三段氮化。从氮化时间上看，获得0.6～0.7毫米氮化层，一段氮化需60小时，二段氮化需48小时，三段氮化时间为36～46小时；并且三段氮化后的硬度梯度比二段氮化低，因此三段氮化在生产中应用更为广泛。

气体氮化后的工件表面硬度、耐磨性与疲劳强度均有提升，还可适当提高抗腐蚀性能，获得的渗氮层具有比渗碳层及表面淬火层更高的热稳定性，工件变形小。因此多用于精密的机器零件和工作温度较高的工件。气体渗氮不仅应用于结构钢、工具钢、马氏体时效钢、不锈钢、耐热钢及铸铁等钢铁材料的表面强化，同样应用于钛合金（700～860℃）、铝合金（400～510℃）等结构金属的表面改性。气体渗氮仍旧是应用最为广泛的氮化方式。