滲碳只能改變零件表面的化學成分。為了實現零件的外部硬度和內部韌性，在滲碳熱處理后，必須在低溫下進行淬火和回火，以提高鋼的強度和韌性并穩定零件的尺寸。根據工件的成分，形狀和機械性能，滲碳后通常采用以下金屬熱處理方法。
1）直接淬火+低溫回火
將零件從熱處理爐中取出并直接淬火，然后回火以獲得所需的表面硬度。直接淬火的條件有兩個：滲碳熱處理后，奧氏體晶粒尺寸在5-6以上。滲碳層中沒有明顯的網狀結構和塊狀碳化物。大多數鋼（例如20CrMnTi）在滲碳后直接淬火。
2）預冷直接淬火+低溫回火
預冷的目的是減少兩個零件的變形。由于碳化物的沉淀，減少了表面上的殘余奧氏體。預冷直接淬火的表面硬度略有提高，但晶粒沒有變化。預冷溫度應高于Ar3，以防止鐵氧體在芯中沉淀。溫度過高會影響預冷過程中碳化物的析出和殘余奧氏體的數量。增加還會增加淬火變形。
3）一次加熱淬火+低溫回火
快速將滲碳零件冷卻至室溫，然后將其重新加熱以進行淬火和低溫回火。適用于淬火后對型芯要求高強度和良好韌性的零件。
4）高溫回火+淬火+低溫回火
高溫回火后，殘余奧氏體分解，滲透層中的碳和合金元素以碳化物形式析出，易于加工并減少了殘余奧氏體。主要用于Cr-Ni合金鋼零件。
5）二次淬火+低溫回火
將工件冷卻至室溫后，將其淬火兩次，然后在低溫下回火。這是一種確保在心臟和表面均具有高性能的熱處理方法。兩次淬火有助于減少表面殘留的奧氏體量。
6）二次淬火+熱處理+低溫回火
也稱為高合金鋼熱處理，以減少表面層中的殘余奧氏體量。
7）滲碳后感應加熱淬火+低溫回火
主要用于齒輪和軸零件。
