渗碳钢的一般热处理工艺规范是在渗碳之后进行淬火和低温回火。以获得“表硬里韧”的性能。但由于钢的成分和性能要求不同，其热处理规范在细节上稍有差异。
低淬透性合金渗碳钢，如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差。一般可用作受力不太大，不需要高强度的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。
中淬透性合金渗碳钢，如200rMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB等，合金元素的总含量≤4％，其淬透性和力学性能均较高。常用作承受中等动载荷的受磨零件，如变速齿轮、齿轮轴、十字销头、花键轴套、气门座、凸轮盘等。
高淬透性合金渗碳钢，如12Cr2Ni4A，18Cr2Ni4W等，合金元素总含量约在4～6％之间，淬透性很大，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度高，强度与韧性配合好。常用作承受重载和强烈磨损的大型、重要零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。
下面以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理工艺的确定和工艺路线的安排。

20CrMnTi钢制汽车变速齿轮的整个生产过程的工艺路线如下：

锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳→预冷淬火、低温回火→喷丸→磨齿（精磨）。

齿轮毛坯在机械加工前需进行正火处理，其目的是改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工，保证齿形合格。20CrMnTi钢正火后的硬度为170～210HBS，切削加工性能良好；渗碳温度确定为920℃左右，渗碳时间根据所要求的渗碳层厚度（1.2~1.6mm）确定为6~8h；渗碳后，自渗碳温度预冷到870～880℃直接油淬，经200℃低温2～3h后，其力学性能为：σb≈1000MPa，ψ≈50％，AK≈64J；其表面层由于碳含量较高（渗碳后达1.0％左右），在淬火、低温回火后获得回火马氏体组织，具有很高的硬度（58～60 HRC）和耐磨性；心部在淬火、低温回火后获得回火低碳马氏体组织，具有高的强度和足够的韧性。