渗碳只能改变零件表面的化学成分。为了获得外部硬度和内部韧性的性能，在渗碳热处理后，必须进行淬火和低温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进行直接淬火，然后回火以获得所需的表面硬度。直接淬火的条件有两个：渗碳热处理后的奥氏体晶粒尺寸在5-6以上。渗碳层中没有明显的网状结构和大量碳化物。诸如20CrMnTi之类的钢在渗碳后大多直接淬火。
2）预冷直接淬火+低温回火
预冷的目的是减少零件的变形，从而由于碳化物的析出而减少表面上残留的奥氏体。预冷和直接淬火的表面硬度略有增加，但晶粒保持不变。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量的增加，还会增加淬火变形。
3）一次性加热淬火+低温回火
渗碳零件迅速冷却至室温，然后再加热以进行淬火和低温回火。适用于淬火后对型芯具有更高强度和更好韧性要求的零件。
4）高温回火+淬火+低温回火
高温回火后，残余奥氏体分解，并且胶结层中的碳和合金元素以碳化物形式析出，易于加工并减少残余奥氏体。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。这是一种可同时确保型芯和表面的热处理方法。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
也被称为高合金钢热处理，以减少表面上的残留奥氏体量，它主要用于齿轮和轴零件。
