对20CrMnTi钢进行了520℃不同气氛等离子体渗氮处理。经氨氢和氨气离子渗氮8h后，增重分别为1.11mg/cm2和1.44mg/cm2，表面硬度分别为851.0HV0.05和835.0HV0.05。渗氮层由外层的“化合物层”和里层的“扩散层”组成。经氨氢和氨气离子渗氮后，化合物层的厚度分别为8～9μm和12μm。氨气渗氮8h后，改性层厚度最大，为350μm。氨氢混合气氛离子渗氮4h后的改性层为单一的γ’-Fe4N相。氨氢混合气氛渗氮8h和氨气渗氮4h和8h，改性层均由γ’-Fe4N和ε-Fe3N两相组成。与氨氢混合气氛渗氮相比，氨气渗氮层的XRD衍射峰强度显著下降，半高宽增加，显微组织相对细化。