فرایند نیتروژن دهی یک فرایند ترموشیمیایی است که طی آن نیتروژن به سطح فولادها و چدن نفوذ می‌کند. این فرایند نفوذ بر اساس حلالیت نیتروژن در آهن است. همان‌طور که در دیاگرام تعادلی آهن-نیتروژن در شکل ۱ نشان داده شده است، حد حلالیت نیتروژن در آهن به دما بستگی دارد.
شکل ۱. دیاگرام تعادلی آهن-نیتروژن
در فرایند نیتروژن دهی آهن خالص تا دمای ℃۵۹۰، با افزایش مقدار نیتروژن، بر طبق نمودار فازی دوتایی Fe-N، فازهای زیر تشکیل می‌شود:
- آهن α BCC، که در دمای اتاق تا مقدار %Wt001/0 و در دمای ℃۵۹۰ تا مقدار %Wt115/0 نیتروژن را در خود حل می‌کند.
- نیترید γ′ FCC، Fe4N، که مقدار %Wt1/7-6/5 نیتروژن را در خود حل می‌کند.
- نیترید ε هگزاگونال، Fe2-3N، که مقدار %Wt8-11 نیتروژن را در خود حل می‌کند.
فاز سطحی تشکیل‌شده روی فولادهای آلیاژی عمدتاً فاز اپسیلون ε است که به شدت تحت تأثیر مقدار کربن فولاد قرار دارد. مقدار کربن بیشتر، پتانسیل تشکیل فاز اپسیلون در فرایند نیتروژن دهی را افزایش می‌دهد. اهمیت ویژه فرایند نیتروژن دهی این است که نیازی به تغییر فاز از فریت به آستنیت و سپس به مارتنزیت ندارد.
به عبارت دیگر، حین فرایند نیتروژن دهی، فولاد بسته به ترکیب آلیاژی در فاز فریت یا فاز سمانتیت باقی می‌ماند؛ یعنی ساختار مولکولی فریت (شبکه BCC) به شبکه FCC که مشخصه آستنیت است، تغییر نمی‌کند، در حالی که در روش‌های مرسوم‌تر مانند کربن‌دهی این تغییر رخ می‌دهد.
در فرایند نیتروژن دهی، تغییر ابعادی و اندازه مولکولی بسیار کم است و فقط مقدار کمی رشد ناشی از نفوذ نیتروژن در سطح فولاد اتفاق می‌افتد.
ابتدای پذیرش فرایند نیتروژن دهی به دلیل سختی متوسط حاصل برای فولادهای کربنی ساده، چدن و فولادهای کم‌آلیاژ در ایالات متحده به تأخیر افتاد. فرایند نیتروژن دهی نیازمند زمان‌های طولانی برای رسیدن به عمق لایه سختی مشابه روش‌های مرسوم مانند کربن دهی است.
به طور مثال برای عمق سختی ۱ میلی‌متر، فرایند نیتروژن دهی به ۹۰ ساعت و کربن‌دهی به ۴٫۵ ساعت زمان نیاز دارد، که در شکل‌های ۲ و ۳ نشان داده شده است.
شکل ۲. مثالی از فرایند کربن دهی
شکل ۳. مثالی از فرایند نیتروژن دهی
ثبت اختراع فرایند نیتروژن دهی گازی اولین بار توسط آدولف ماچلت برای نیتروژن دهی آهن و فولاد در اتمسفر گاز آمونیاک رقیق‌شده با هیدروژن انجام شد. سختی به‌دست آمده توسط او نسبت به استانداردهای آن زمان و امروزی پایین بود (بین ۳۰ تا ۳۵ راکول سی)، که برای خواص سایشی ناکافی محسوب می‌شد. آلمانی‌ها با توسعه فولادهای مخصوص فرایند نیتروژن دهی توسط آدولف فرای، به نتایج سختی قابل توجهی رسیدند و صنعتگران شروع به کنترل دقیق ترکیب فولادهای قابل نیتروژن دهی کردند.
دلایل پذیرش فرایند نیتروژن دهی عبارتند از:
- فرایند نیتروژن دهی نسبتاً دماپایین است.
- کنترل پارامترهای فرایند نیتروژن دهی ساده است.
- فرایند نیتروژن دهی مقاومت به خوردگی فولادهای کم‌آلیاژ و کم‌کربن را افزایش می‌دهد.
- سختی مغز فولاد در فرایند نیتروژن دهی به دلیل تمپرینگ اولیه تغییر قابل توجهی نمی‌کند.
- به دلیل عدم نیاز به کوئنچ، اعوجاج کمتر است.
پایین بودن دمای فرایند نیتروژن دهی:
دمای مورداستفاده معمولاً در محدودة ۴۰۰ الی ۵۸۰ درجة سانتی‌گراد است که با توجه به فولاد تحت عملیات، متفاوت است. انتخاب دما براساس دمای تمپرینگ نهایی انجام‌شده روی فولاد حین عملیات حرارتی است. دمای نیتروژن‌دهی باید کمتر از دمای تمپرینگ باشد که در این‌صورت سختی مغز فولاد حین نیتروژن‌دهی تغییر نمی‌کند. فرایندهای عملیات سطحی که به دماهای بالاتر از فرایندهای نیتروژن‌دهی نیاز دارند، شامل موارد زیر است:
- کربن‌دهی، که در دمای حدود ℃۹۷۰ انجام می‌شود.
- کربن-نیتروژن‌دهی، که در دمایی حدود ℃۸۷۰ انجام می‌شود.
شکل ۴ محدودة دمایی مورداستفاده توسط روش‌های مختلف سخت شدن سطحی نفوذی را به‌همراه ویژگی‌های لایة سخت شده مقایسه می‌کند. 
شکل ۴. مقایسة تکنیک‌های مختلف سختکاری سطحی نفوذ
عمق لایه سخت شده در فرایند کربن‌دهی معمولاً بیشتر از فرایند نیتروژن دهی است و می‌تواند تا حدود ۶٫۳۵ میلی‌متر برسد، اما زمان چرخه طولانی باعث رشد دانه و افت کیفیت می‌شود. بر خلاف کربن‌دهی، فرایند نیتروژن دهی در منطقه فریت دیاگرام تعادلی آهن-کربن اتفاق می‌افتد و اندازه دانه تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.
شکل ۵. دیاگرام تعادلی آهن کربن
نیتروژن در دماهای بالا تمایل بسیاری به نفوذ در آهن و فولاد دارد. هرچه درجة حرارت فولاد بالاتر رود، نفوذ عمیق‌تر و سریع‌تر نیتروژن اتفاق می‌افتد. اگر دمای فرایند خیلی بالا باشد، محلول اشباع نیتروژن در آهن به‌وجود می‌آید که می‌تواند باعث ایجاد مشکلی به‌نام «شبکة نیتریدی» شود. عدم نیاز به کوئنچ کردن: با فرایندهای نفوذ سطحی متداول مانند کربن دهی و کربن نیتروژن دهی، فولاد باید بعد از قرارگرفتن در یک دمای آستنیتة مناسب (بسته به ترکیب فولاد)، برای تبدیل فاز آستنیت (شبکة FCC) به فاز مارتنزیت (شبکة BCT)، کوئنچ (یا سردشدن سریع) شود. شکل ۶ تغییرات شبکة کریستالی را که طی فرایند عملیات حرارتی دمابالا مانند کربن‌دهی اتفاق می‌افتد، نشان می‌دهد. 
شکل ۶. تغییرات شبکة کریستالی طی فرایند عملیات حرارتی دمابالا مانند کربن دهی
نرخ سرمایش سریع برای فولاد نیتروژن دهی شده پس از اتمام چرخة فرایند ضروری نیست. در واقع در فرایند نیتروژن دهی، برخلاف روش‌های کربن نیتروژن دهی و کربن‌دهی، سرعت سرمایش بحرانی وجود ندارد. کاهش اعوجاج: اعوجاج یکی از مشکلات رایج مهندسان و انجام دهندگان عملیات حرارتی است. اعوجاج طی فرایند عملیات حرارتی نهایی، خود را به دو شکل نشان می‌دهد:
اعوجاج شکل: تغییر در شکل هندسی مثل کمانش، پیچش، یا خمش؛ اعوجاج اندازه: تغییر در حجم قطعة کار به‌دلیل رشد یا انقباض. اعوجاج می‌تواند کم شود، اما حذف نمی‌شود. تنش‌ها می‌توانند از طریق نورد و آهنگری و همچنین فرایندهای ماشین‌کاری در فولاد ایجاد شوند. این تنش‌های ایجادشده در عملیات حرارتی نهایی خود را نشان می‌دهند. مطابق شکل ۷، همان‌طور که فولاد گرم می‌شود، فرایند تنش‌گیری روی فولاد انجام می‌شود و تنش‌ها شروع به کاهش می‌کنند. 
شکل ۷. تغییر فاز و تغییر میزان تنش پسماند حین حرارت‌دهی و کوئنچ
به‌منظور کاهش اعوجاج، ضروری است یک روش تنش‌گیری بعد از عملیات حرارتی اولیه و ماشین‌کاری خشن و قبل از ماشین‌کاری نهایی و فرایند نیتروژن‌دهی تعریف شود. فرایند تنش‌گیری به‌عنوان یک فرایند پایدارکننده در فرایند نیتروژن‌دهی نهایی عمل خواهد کرد. روش دیگر پایدارکردن، عملیات برودتی فولاد است (به‌ویژه در فولادهای ابزار یا فولادهای آلیاژی). این عملیات آستنیت باقی‌مانده را به مارتنزیت تمپرنشده تبدیل خواهد کرد که با فرایند نیتروژن‌دهی تمپر خواهد شد و در نتیجه پایداری ابعادی بهتر را حین و بعد از نیتروژن‌دهی تضمین خواهد کرد. شکل ۸ مزایای فرایند نیتروژن‌دهی را در زمینة کاهش اعوجاج نشان داده است. 
شکل ۸. مزایای فرایند نیتروژن‌دهی در زمینة کاهش اعوجاج
الگوهای تنش حرارتی براثر تفاوت هندسة بخش‌های مختلف قطعه، نرخ‌های سرمایش متفاوت، و تغییرات فازی در فولاد به‌وجود می‌آید. علاوه‌براین، هنگامی‌که عنصر یا ترکیبی از عناصر برای به‌وجودآوردن تغییرات در شیمی سطح اضافه شوند، تغییرات حجمی به‌شکل رشد یکنواخت ابعاد در قطعه پدیدار می‌شوند؛ به‌طور مثال در یک رینگ، قطرهای داخلی و بیرونی رشد خواهند کرد که در نتیجة آن، قطر سوراخ کاهش می‌یابد، که شکل ۹ این موضوع را به‌صورت شماتیک نشان داده است. 
شکل ۹. اثر رشد ناشی از نیتروژن دهی
قطعة نیتروژن دهی‌شده معمولاً نسبت به قطعة کربن دهی‌شده یا کوئنچ تمپرشده پایداری ابعادی بیشتری را نشان می‌دهد، چون در نیتروژن دهی شرایط تشکیل آستنیت باقی‌مانده وجود ندارد. با گذشت زمان، آستنیت باقی‌مانده به مارتنزیت تمپرنشده تبدیل می‌شود. فرایند نیتروژن دهی نه تنها باعث بی‌ثباتی ابعادی نمی‌شود، بلکه به عنوان یک روش تنش‌گیری عمل می‌کند. در فرایند نیتروژن‌دهی به‌دلیل نفوذ نیتروژن به داخل سطح فولاد، مطمئناً رشد ابعادی اتفاق می‌افتد که مقدار رشد تحت‌تأثیر عوامل زیر است:
- زمان
- دما
- آنالیز شیمیایی سطح فولاد
- وضعیت سطح فولاد قبل از فرایند نیتروژن‌دهی
- متالورژی سطح (ضخامت لایة ترکیبی)
- عمق کل لایه
مقادیر سختی بالا: اغلب گفته می‌شود که فرایند نیتروژن دهی می‌تواند فقط برای فولادهای خاصی مناسب باشد که حاوی عناصر آلیاژی خاص با میل ترکیبی با نیتروژن هستند و نیترید پایدار را تشکیل می‌دهند. فولاد عملیات سطحی‌شده اگر مقدار سختی بالایی به‌دست نیاورد، چندان مورد پذیرش واقع نمی‌شود.
آهن خالص و فولادهای کم‌آلیاژ نیتروژن‌دهی می‌شوند؛ هرچند بیشترین مقدار سختی که نشان می‌دهند حدود HRC ۳۵ خواهد بود (با نیتروژن‌دهی گازی). در اوایل توسعة فرایند، فرای گروهی از فولادهای آلیاژی خاص را که مقدار سختی بالایی را تولید می‌کنند، توسعه داد.
فولادهای مخصوص نیتروژن‌دهی شامل عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، وانادیم، تنگستن، و آلومینیوم بودند. مقادیر سختی بالا در فولادهای مخصوص فرایند نیتروژن دهی به‌دلیل تمایل عناصر آلیاژی برای تشکیل نیتریدهای پایدار در دماهای فرایند به‌دست آمد و مقدار سختی حاصل تابعی از مقدار این عناصر است. علاوه بر فولادهای مخصوص نیتروژن دهی، فولادهای دیگری که حاوی همان عناصر نیتریدزا هستند به‌خوبی نیتروژن‌دهی خواهند شد (فولادهای ضد زنگ، فولادهای ابزار و … هستند).
مقاومت اکسیداسیون: فولادهایی که نیتروژن دهی می‌شوند در مقایسه با فولادهایی که تحت روش‌های سختکاری سطحی متداول قرار گرفته‌اند، مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون بهتری از خود نشان می‌دهند، اما این موضوع در مورد فولادهای ضدزنگ صدق نمی‌کند. در واقع با انجام نیتروژن دهی، مقاومت این فولادها در برابر خوردگی کاهش می‌یابد. اگرچه نیتروژن دهی خواص خوردگی فولادهای آلیاژی را بهبود می‌بخشد، این بهبود دائمی نیست و در نهایت تخریب سطح رخ می‌دهد؛ البته، نه به سرعتی که ممکن است در صورت عدم انجام نیتروژن دهی فولاد اتفاق افتد.