离子氮化加工是在离子轰击下进行的。 阴极滴区中离子的平均能量约为数十电子伏特。 当电压为800伏时，氮离子的能量比在气体氮化氨分解过程中获得的氮原子的能量高3000倍。 高能粒子轰击产生阴极溅射。 在铁原子与阴极表面分离的同时，碳，氧和合金元素也被轰击，还原了零件表面的氧化物和碳化物。 钢铁渗硫如果存在氢，它不仅可以防止大气中残留氧气的氧化，还可以还原零件表面的氧化物，从而获得活性的清洁表面，使氮化反应相当活跃。

离子氮化加工过程中氮的迁移主要通过铁原子的溅射和氮化铁的沉积来实现。 因此，在离子氮化加工开始时，在零件表面上与α-Fe直接接触形成了富氮相。 氮的这种高速供应促使α-Fe迅速被氮饱和。 几分钟后，相应的化合物层与被氮饱和的α-Fe处于平衡状态，通常需要1-2小时才能使氮化物层出现在气体氮化部分的表面。

在离子氮化加工过程中，高能粒子与金属表面晶格中的原子发生弹性碰撞，从而导致高密度位错。 电子显微镜对离子轰击的纯铁箔的观察研究表明，位错密度的增加会增加材料的渗透性，从而加速氮的扩散。

在气体氮化的初期，氮的扩散主要沿着晶界。 氮与晶界上的碳化物接触形成碳氮化物。 这样，大量的氮被无用地消耗，并且所形成的碳氮化物强烈地阻碍了晶界的扩散，减慢了氮化层的向内前进，并且主要沿着位错狗扩散。 另外，碳从表面溅出，使晶界处于脱碳状态，这显然阻碍了在奥氏体晶界上碳氮化物的形成。 这样，氮原子也可以沿着不含碳氮的晶界顺畅地扩散，因此扩散速度明显加快。离子渗硫、离子渗金属的扩散也是。