К азотированию прибегают с целью повышения поверхностной твёрдости изделий, их износостойкости, предела усталости и коррозионной стойкости в воздухе, воде, паре
и других средах. Сердцевина сохраняет свойства исходного материала. Перед азотированием стали закаливают, отпускают на сорбит при 650 ^oС и подвергают механической обработке, включая шлифование. Окончательно шлифуют или доводят изделие после азотирования. Но можно использовать изделия и сразу после азотирования.

Очень сильно, достигая 1 200 НV, повышается твёрдость легированных сталей. Больше всего этому способствуют нитридообразующие элементы: алюминий, титан, ванадий, хром, молибден и др. Внедрённые в кристаллическую решётку железа, атомы этих элементов повышают растворимость азота в феррите в десятки раз, чем усиливают эффект дисперсионного твердения. В азотированных слоях создаются значительные остаточные напряжения сжатия, что приводит к повышению предела усталости. Твёрдость азотированной стали сохраняется до 550–600 ^oС, в то время как цементованный слой, имеющий мартенситную структуру, начинает терять твёрдость уже при 200 ^oС.

Азотирование проводят в герметически закрытых муфельных печах в среде газообразного аммиака NH₃ при 500–700 ^oС. В этом интервале температур аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота:

NH₃ > 3H + N.

Адсорбируясь на поверхности металла, атомарный азот диффундирует в его кристаллическую решётку, образуя различные азотсодержащие фазы. В соответствии с диаграммой состояния системы железо–азот ниже 591 ^oС последовательно образуются следующие фазы: твёрдый раствор азота в ?-железе (азотистый феррит, содержащий при обычной температуре около 0,01 % N); нитрид Fe₄N с узкой областью гомогенности (5,7–6,1 % N); твёрдый раствор на основе нитрида Fe₃N (8–11,2 % N). Выше 591 ^oС образуется, кроме того, твёрдый раствор азота в железе – азотистый аустенит, который при 591 ^oС и 2,35 % N
в результате медленного охлаждения претерпевает эвтектоидный распад на смесь азотистого феррита и Fe₄N. При быстром охлаждении эвтектоид претерпевает мартенситное превращение. При температурах ниже 450 ^oС возможно образование фазы Fe₂N с узкой областью гомогенности (~11,35 % N).

Участки изделия, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонких слоев олова, жидкого стекла или никеля. На азотирование, происходящее при сравнительно низких температурах, требуется значительно больше времени, чем на цементацию. Так, при температуре 500–520 ^oС для получения азотированного слоя толщиной 0,3–0,6 мм необходимо затратить от 24 до 90 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость поверхностного слоя. Поэтому азотирование при температурах 600–700 ^oС проводят с целью повышения коррозионной стойкости, а не твёрдости. На поверхности изделия образуется тонкий слой (10–40 мкм) нитрида Fe₃N, обладающего высокой коррозионной стойкостью. Твёрдость такого слоя относительно низкая – 800 HV.

Широкое применение получило азотирование изделий из титановых сплавов. Процесс проводят чаще всего в среде технического азота, очищенного от кислорода и влаги, при температуре 850–950 ^oС в течение 10–50 ч. Более высокие температуры неприемлемы из-за сильного роста зерна в сердцевине. На поверхности изделий образуется износостойкий, уменьшающий схватывание трущихся поверхностей слой нитрида TiN толщиной
0,1–0,15 мм.

Азотированию подвергают детали авиадвигателей, дизелей, турбин, некоторые инструменты..