离子渗氮保温阶段结束后进入冷却阶段，常采用的冷却方式有下面几种：
        1、停止抽气和供气，切断辉光电源，在原渗氮的气氛中随炉冷却。如果离子渗氮设备的密闭性不高，漏气率较大时，为避免零件在冷却过程中氧化，可以在停泵和切断辉光电流后向炉内继续冲入分解氨，当炉压达30-50托后关断气源。此法操作最为简便、省时，能保证渗氮后得到银灰色的表面。
        2、阶段辉光电源和气源后将炉子抽到较高的真空度，渗氮零件在抽气的过程中冷却，此法需要设备能抽至10^-2托以上的真空度，才能保证渗氮件的外观质量，并且延长了真空泵的工作时间。
        3、切断辉光电源，供气和抽气系统继续工作，渗氮零件在流动的新鲜的渗氮气氛中冷却。以未经干燥的冷氨做气源时，不宜采用此法。因为零件冷却至450℃以下，氨气接触零件表面已不能被分解时，气氛中的水汽将使零件表面氧化。此外，这种方法既延长了真空泵的工作时间，还多消耗渗氮气体。
        4、在稀薄的辉光保护下逐渐降温至250℃以下，再停电随炉冷却。此法冷却时间很长，仅在有特殊需要时应用。
        离子渗氮后零件需要快速冷却时，可向炉内通入惰性气体，并用安置在炉内的特制风扇强制冷却零件，或者快速打开真空炉罩，把渗氮零件淬入油中冷却，但后一方法将不可避免地使零件表面氧化。
        临界温度降到300℃以下，才可关掉炉子的冷却水，零件温度降至200℃以下即可出炉。出炉后，零件的非渗氮部位应及时涂油，以防生锈。