离子氮化是将一工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2～10-3 Torr（㎜Hg）后导入N2气体或N2 + H2之混合气体，调整炉内达1～10 Torr，将炉体接上阳极，工件接上阴极，两极间通以数百伏之直流电压，此时炉内之N2气体则发生光辉放电成正离子，向工作表面移动，在瞬间阴极电压急剧下降，使正离子以高速冲向阴极表面，将动能转变为气能，使得工件表面温度得以上升。因氮离子的冲击后将工件表面打出Fe.C.O.等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN，由此氮化铁逐渐被吸附在工件上而产生氮化作用。在基本上是采用氮气，但若添加碳化氢系气体则可作离子软氮化处理，但一般统称离子氮化处理。工件表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体（N2 + H2）的分压比调节得之，纯离子氮化时，在工作表面得单相的r′（Fe4N）组织含N量在5.7～6.1%wt，厚层在10μm以内，此化合物层强韧而非多孔质层，不易脱落。由于氮化铁不断的被工件吸附并扩散至内部，由表面至内部的组织即为FeN → Fe2N → Fe3N→ Fe4N顺序变化，单相ε（Fe3N）含N量在5.7～11.0%wt，单相ξ（Fe2N）含N量在11.0～11.35%wt。离子氮化首先生成r相再添加碳化氢气系时使其变成ε相之化合物层与扩散层，由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多，而蚀性以ε相最 佳。
离子氮化处理的度可从350℃开始，由于考虑到材质及其相关机械性质的选用处理时间可由数分钟以致于长时间的处理，本法与过去利用热分解方化学反应而氮化的处理法不同。本法系利用高离子能之故，过去认为难处理的不锈钢、钛、钴等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处理。