滲碳只能改變零件表面的化學成分。為了獲得外部硬度和內部韌性的性能，在滲碳熱處理后，必須進行淬火和低溫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進行直接淬火，然后回火以獲得所需的表面硬度。直接淬火的條件有兩個：滲碳熱處理后的奧氏體晶粒尺寸在5-6以上。滲碳層中沒有明顯的網狀結構和大量碳化物。諸如20CrMnTi之類的鋼在滲碳后大多直接淬火。
2）預冷直接淬火+低溫回火
預冷的目的是減少零件的變形，從而由于碳化物的析出而減少表面上殘留的奧氏體。預冷和直接淬火的表面硬度略有增加，但晶粒保持不變。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量的增加，還會增加淬火變形。
3）一次性加熱淬火+低溫回火
滲碳零件迅速冷卻至室溫，然后再加熱以進行淬火和低溫回火。適用于淬火后對型芯具有更高強度和更好韌性要求的零件。
4）高溫回火+淬火+低溫回火
高溫回火后，殘余奧氏體分解，并且膠結層中的碳和合金元素以碳化物形式析出，易于加工并減少殘余奧氏體。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。這是一種可同時確保型芯和表面的熱處理方法。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
也被稱為高合金鋼熱處理，以減少表面上的殘留奧氏體量，它主要用于齒輪和軸零件。
