化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温，使介质中一种或几种元素（如Ｃ、Ｎ、Ｓi、Ｂ、Ａl、Ｃr、Ｗ等）渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织，达到工件使用性能要求的热处理工艺。其特点是既改变工件表面层的组织，又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。
    各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。
    1）分解:  由介质中分解出渗入元素的活性原子。
    2）吸收:  工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成溶体，或与钢中的某种元素形成化合物。
    3）扩散:  已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往里迁移，形成一定厚度的扩散层。

1、渗碳:
    渗层组织:淬火后为碳化物、马氏体、残余奥氏体。渗层厚度（mm），0.3～1.6，表面硬度，57～63HRC，作用与特点，提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，渗碳温度（930℃）较高，工件畸变较大；应用，常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条。
    渗碳件渗碳后，都要进行淬火、低温回火，回火温度一般为150～200℃。
    经淬火和低温回火后，渗碳件表面为细小片状回火马氏体及少量渗碳体，硬度可达58～64HRC，耐磨性能很好。心部组织决定于钢的淬透性。普通低碳钢如15、20钢，心部组织为铁素体和珠光体，硬度为10～15HRC。低碳合金钢如20CrMnTi心部组织为回火低碳马氏体、铁素体及托氏体，硬度为35～45HRC，具有较高的强度、韧性及一定的塑性。

2.液体氮化  也称软氮化，低温氰化，或者氮碳共渗，在渗氮过程中，碳原子也参与，因而比一般的单一气体渗氮具有更高的渗速，在渗层表面硬度相当的情况下，氮化层的脆性也比气体氮化小，软氮化因此得名。 氮化主要是往炉中加入纯氨，在200℃以上氨分解为活性氮原子，在500～580℃时，活性氮原子往钢件表面渗氮和扩散，得到0.3～0.5mm厚的高硬度、耐腐蚀、抗疲劳的氮化层。
     把含碳物质和氨同时通入炉内就是碳氮共渗，又叫氰化。它兼有渗碳和氮化的性能，氰化温度低于渗碳，使工件变形小，而氰化速度比渗碳和氮化快，生产周期短。老的液体氮化法主要原料是氰化钠，所以也有叫低温氰化的，硬化层中的氮比碳的浓度高，因而氮碳共渗的称法又被广泛采用在氮化的过程中，当活性较大时，表面生成很薄的化合物层（10～30μm的ε相），随后便是γ`和扩散层。当活性较小时，表面化合物相可以不出现，从而获得得以弥散硬化为主的组织。 

3.离子氮化  是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法。在低压的氮气或氨气等气氛中，炉体和被处理工件之间加以直流电压，使产生辉光放电，在被处理表面数毫米处出现急剧的电压降，气体中的离子，向阴极移动，当接近工件表面时，由于电压降剧降而被强烈加速，轰击工件表面，离子具有的动能转变为热能，加热了被处理的工件，同时一部分离子直接注入工件表面，一部分离子引起阴极溅射，从工件表面“溅射出”电子和原子，“溅出”的铁原子和由于电子作用而形成的原子态氮相结合，形成FeN。FeN由于吸附和在表面上蒸发，因受到高温和离子轰击而很快地分解为低价氮化物而放出氮。一部分失去氮的铁又被溅射到辉光等离子气体中与新的氮原子相结合，促进氮化。