渗氮常称为氮化，就是将工件放在含氮介质中，加热到较低温度（480～600℃），使氮渗入其表面，形成以氮化物为主的渗层。有些钢种的氮化层硬度高达1000～1200HV，渗后不必进行提高硬度的淬火处理。氮化层的高硬度是因高硬度氮化物弥散分布在基体中所造成的，随渗氮温度温度升高，氮化物片厚度增加，与母相的共格关系开始破坏，硬度降低。氮化层的耐磨性远高于渗碳层，渗氮工件的变形小，处理后不再进行加工就可以使用，高精度的工件也只需要精磨、研磨或抛光。在渗氮层中形成大的残余压应力，有利于提高零件的疲劳强度。渗氮温度一般稍代于淬火钢的回火温度范围。调质状态的结构钢渗氮时，工件心部保持了状态的回火索氏体组织，在得到高硬度表面的同时具有良好的综合力学性能。

氮化层具一定热硬性，在500℃以下能长时期保持高硬度。在600℃短时间加热，硬度也不降低，而当温度超过600～625℃时，由于高弥散分布的氮化物的聚集，而使氮化层硬度下降。为了工件心部具有必要的力学性能，渗氮前一般要进行调质处理，获得回火索氏体组织。渗氮往往是最后一道工序，因而氮化前要求加工到足够的精度，为了消除加工应力和减少渗氮过程的变形，一般在机械加工后要进行1、2次除应力回火。

根据渗氮的目的，可分强化渗氮（硬渗氮）和抗蚀渗氮，对要求表面硬度高、耐磨性好、热处理变形小的高精度工件，多采用强化渗氮，如精密机床的主轴、镗床的镗杆、发动机缸套、液压泵的分配轴等。为了提高碳钢、合金钢、塑料模具钢及电工钢工件的抗蚀能力，则对其进行抗蚀渗氮。抗蚀渗氮适用于对抗蚀性要求不太高的小零件，如仪表、打字机、缝纫机的零件。抗蚀渗氮是在工件表面获得0.015～0.06mm厚的致密的、化学稳定性好的ε相渗氮层。对潮湿空气、过热空气、海水、气体燃烧产生的气体具有一定耐蚀能力。抗蚀渗氮温度比强化渗氮的温度高（550～650℃），渗氮后可以快冷。

渗氮用钢中常加入铬、钼、钨、钒、钛、铝等形成稳定氮化物的元素。这些元素与氮形成高硬度、弥散分布的AlN、MoN、Mo₂N、WN、W₂N、CrN、Cr₃N等氮化物，能提高渗氮层的硬度和强度，其中铝、铁、钒的氮化物尤为显著。钢中加入钼和铝，可改善扩散层的性能。38CrMoAl是最典型的渗氮钢种，38CrMoAl钢于560℃渗氮后，在氮化层中形成与母相有一定取向关系的片状氮化物，片厚约为5～6mm，硬度可达1000～1200HV。为克服该钢脆性大的缺点研制为30CrAl（ω（Al）0.5%Al）、25CrMoAl（ω（Al）0.5%Al）等钢。含钛钢在600℃渗氮3～6h后。渗氮层硬度为850～1000HV，深度为0.3～0.45mm，含钛氮化钢渗氮温度可提高到650℃，渗氮时间可缩短到6～10h，硬度为1000HV，层深为0.50mm左右。