离子氮化炉是在离子轰击下进行的。阴极下降区中离子的平均能量约为几十电子伏特。当电压为800伏时，氮离子的能量比氨通过气体氮化分解得到的氮原子的能量高3000倍。高能粒子轰击产生阴极溅射，将铁原子从阴极表面分离并飞溅，同时碳、氧和合金元素也被轰击，减少零件表面的氧化物和碳化物。如果有氢气存在，不仅可以防止大气中残留的氧气氧化，还可以减少零件表面的氧化物，从而获得一个活性洁净的表面，使氮化反应相当活跃。

离子氮化炉离子渗氮过程中氮的迁移主要通过溅射铁原子和沉积氮化铁来实现。
在离子氮化炉过程中，高能粒子与金属表面晶格中碰撞，导致高密度位错。对离子轰击纯铁箔的电镜观察表明，位错密度的增加会增加材料的渗透性，从而加速氮的扩散。
在气体渗氮的初始阶段，离子氮化氮的扩散主要沿晶界进行。氮与晶界上的碳化物接触，形成碳氮化合物。以这种方式，相当一部分氮被有利地消耗掉，并且形成的碳-氮化合物也强烈地阻碍了晶界扩散，这减缓了氮化层的向内推进速度，并且主要沿着位错狗扩散。此外，碳从表面溅射出来，使晶界脱碳，明显阻碍了碳和氮化合物在奥氏晶界上的形成，这样，氮原子也可以沿着无碳氮化合物的晶界顺利扩散，扩散速度明显加快。

离子渗金属当渗氮温度和保温时间相同时，渗氮层比气体渗氮层深，特别是当渗氮层厚度小于0.2毫米时，离子氮化炉离子渗氮可以更有效地缩短渗氮时间。