渗碳钢的预先热处理通常采用正火，对于高淬透性的渗碳钢，可采用空冷淬火后高温回火，获得回火索氏体组织，改善切削加工性能。渗碳钢的最终热处理一般都是在渗碳后进行直接淬火或一次淬火，180～200℃低温回火。处理后工件表面硬度一般为58～64HRC，心部的组织和硬度则取决于钢的淬透性和截面尺寸大小。
近年来，生产中采用渗碳钢直接进行淬火加低温回火处理，获得低碳马氏体组织，用来制造某些综合力学性能要求较高的零件（如传递动力的轴、重要的螺栓等）。在某些场合，它还可以替代经调质处理的中碳钢或中碳合金钢，取得了良好的使用效果。
