철강 표면을 경화시키기 위해 암모니아 가스 또는 기타 질소를 포함하는 적당한 매제 안에서 가열해 그 부분의 질소 함유량을 증가시키는 조작을 말한다. 질화는 1923년 독일의 크룹사의 A. Fry의 발견에 의한 것이다. 질화 온도는 통상 500～550℃로 가열 온도가 높으면 경도는 낮게 되나 질화 깊이는 크게 된다. 질화 시간은 필요한 질화 심도에 의해 결정되나 대체로 50시간으로 0.5mm가 표준이다. 질화 후 열처리가 필요 없고 다른 표면 경화법과 비교해 편리한 경우가 많다. 질화를 방지하려면 그 부분에 주석도금 또는 니켈 전기도금을 하면 좋다. 주물을 NH3 기류 중에서 500～600℃ 온도로 20～90 시간 가열하여, 대단히 높은 경도 및 내마모성이 요구되는 주물을 얻는다. 이 처리로 주물 표면에 형성되는 질화층의 경도는 Hv 900～1100 정도이다. 경화층의 깊이는 0.1～0.4mm이며 그림은 질화 깊이와 경도관계를 표시한다. 질화 처리하는 주철은 질소와 화합하여 질화물을 만드는 알루미늄(Al)을 약 1% 함유할 필요가 있으나, 용탕의 유동성이 저하된다. 규소(Si) 함유량이 높으면 질화가 잘 안 되며, 0.2% P 이상 되면 표면 경도가 높지 않으므로 저 Si, 저 P가 좋다. C 및 Si 함유량이 높으면 500～600℃로 장시간 가열하는 동안에 흑연화가 진행하여 경도가 저하할 우려가 있으므로 이것을 방지할 목적으로 Cr, Mn 또는 V를 첨가할 때도 있다.

위의 표는 질화에 적합한 주철의 화학 조성을 표시한다. 520℃ 60hr 질화시료의 화학조성은 2.75% 탄소(C), 2.58% 규소(Si), 0.73% 망간(Mn), 0.25% S, 0.046% P, 1.22% 크롬(Cr), 1.01% 알루미늄(Al), 0.24% 몰리브덴(Mo), 0.16% 바나듐(V)이다.