滲碳只能改變零件表面的化學成分，要使零件獲得外硬內韌的性能，滲碳熱處理后還必須進行淬火加低溫回火，來改善鋼的強韌性和穩定零件的尺寸。根據工件的成分、形狀和力學性能等，滲碳后常采用以下幾種熱處理方法。

1）直接淬火+低溫回火

將零件自熱處理爐中取出直接淬火，然后回火以獲得表面所需的硬度。直接淬火的條件有兩點：滲碳熱處理后奧氏體晶粒度在5-6級以上；滲碳層中無明顯的網狀和塊狀碳化物。20CrMnTi等鋼在滲碳后大多采用直接淬火。

2）預冷直接淬火+低溫回火

預冷的目的是減小零件變形，使表面的殘余奧氏體因碳化物的析出而減少。預冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶粒沒有變化，預冷溫度應高于Ar3，防止心部析出鐵素體，溫度過高影響預冷過程中碳化物的析出，殘余奧氏體量增加，同時也使淬火變形增大。

3）一次加熱淬火+低溫回火

將滲碳件快冷至室溫后再重新加熱進行淬火和低溫回火，適用于淬火后對心部有較高強度和較好韌性要求的零件。

4）高溫回火+淬火+低溫回火

經高溫回火后殘余奧氏體分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，易于機械加工同時殘余奧氏體減少，主要用于Cr-Ni合金鋼零件。

5）二次淬火+低溫回火

將工件冷至室溫后，再進行兩次淬火，然后低溫回火。這是一種同時保證心部與表面都獲得高性能的熱處理方法，兩次淬火有利于減少表面的殘余奧氏體數量。