渗碳只能改变零件表面的化学成分。为了实现零件的外部硬度和内部韧性，在渗碳热处理后，必须在低温下进行淬火和回火，以提高钢的强度和韧性并稳定零件的尺寸。根据工件的成分，形状和机械性能，渗碳后通常采用以下金属热处理方法。
1）直接淬火+低温回火
将零件从热处理炉中取出并直接淬火，然后回火以获得所需的表面硬度。直接淬火的条件有两个：渗碳热处理后，奥氏体晶粒尺寸在5-6以上。渗碳层中没有明显的网状结构和块状碳化物。大多数钢（例如20CrMnTi）在渗碳后直接淬火。
2）预冷直接淬火+低温回火
预冷的目的是减少两个零件的变形。由于碳化物的沉淀，减少了表面上的残余奥氏体。预冷直接淬火的表面硬度略有提高，但晶粒没有变化。预冷温度应高于Ar3，以防止铁氧体在芯中沉淀。温度过高会影响预冷过程中碳化物的析出和残余奥氏体的数量。增加还会增加淬火变形。
3）一次加热淬火+低温回火
快速将渗碳零件冷却至室温，然后将其重新加热以进行淬火和低温回火。适用于淬火后对型芯要求高强度和良好韧性的零件。
4）高温回火+淬火+低温回火
高温回火后，残余奥氏体分解，渗透层中的碳和合金元素以碳化物形式析出，易于加工并减少了残余奥氏体。主要用于Cr-Ni合金钢零件。
5）二次淬火+低温回火
将工件冷却至室温后，将其淬火两次，然后在低温下回火。这是一种确保在心脏和表面均具有高性能的热处理方法。两次淬火有助于减少表面残留的奥氏体量。
6）二次淬火+热处理+低温回火
也称为高合金钢热处理，以减少表面层中的残余奥氏体量。
7）渗碳后感应加热淬火+低温回火
主要用于齿轮和轴零件。
