При химико-термической обработке (ХТО) изменяется химический состав и структура поверхностных слоев материалов.

Основными видами ХТО для сталей являются цементация, азотирование и нитроцементация.

При цементации поверхность стали насыщается углеродом. Существуют три основных вида цементации: в твёрдых карбюризаторах, газовых средах и жидких расплавах солей.

Концентрация углерода на поверхности деталей определяется активностью углерода в насыщающей среде. Глубина слоя с повышенным содержанием углерода – ℓ обусловлена скоростью диффузии углерода в стали – D и временем обработки - t.

Рекомендуемая глубина слоя зависит от размеров деталей и не должна превышать 10 % диаметра изделий. Достаточной толщиной обычно считается 1- 2 мм. Такая глубина проработки при температуре 910 – 9300С достигается за 5 - 20 часов.

Цементации целесообразно подвергать низкоуглеродистые стали. После цементации детали подвергают одинарной или двойной закалке с последующими низкотемпературным отпуском (при 180 – 2000С).

Азотирование применяют лишь для среднеуглеродистых легированных сталей, содержащих элементы, образующие нитриды (Mn, Cr, V, Al, Mo, W). Азотирование обычно проводят при температуре 5200С в среде диссоциированного аммиака. Длительность азотирования почти на порядок превышает продолжительность цементации. Основным эксплуатационным преимуществом азотирования перед цементацией является сохранение высокой твёрдости при эксплуатации азотированных деталей при температурах вплоть до 6500С.

Цементованные же детали после такого отжига теряют износостойкость.

Перед азотированием детали подвергают улучшению.

Нанесение тонкого азотистого слоя используют для повышения (в 3-5 раз) износостойкости инструмента.

Нитроцементация используется для одновременного насыщения сталей азотом и углеродом. Скорость суммарного процесса выше скоростей цементации и азотирования. Нитроцементацию проводят при различных температурах в смеси науглероживающих газов с аммиаком. Чем выше температуры насыщения, тем выше относительное содержание углерода в насыщаемом слое.

Для повышения жаростойкости и коррозионной устойчивости используют химико-термическую обработку, называемую диффузионным насыщением. Насыщают обычно стали бором, алюминием, титаном, хромом и др. компонентами.