化學熱處理是將工件置入含有活性原子的特定介質中加熱和保溫，使介質中一種或幾種元素（如Ｃ、Ｎ、Ｓi、Ｂ、Ａl、Ｃr、Ｗ等）滲入工件表面，以改變表層的化學成分和組織，達到工件使用性能要求的熱處理工藝。其特點是既改變工件表面層的組織，又改變化學成分。它可比表面淬火獲得更高的硬度、耐磨性和疲勞強度，并可提高工件表層的耐蝕性和高溫抗氧化性。
各種化學熱處理都是由以下三個基本過程組成的。
1）分解: 由介質中分解出滲入元素的活性原子。
2）吸收: 工件表面對活性原子進行吸收。吸收的方式有兩種，即活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格形成溶體，或與鋼中的某種元素形成化合物。
3）擴散: 已被工件表面吸收的原子，在一定溫度下，由表面往里遷移，形成一定厚度的擴散層。
1、滲碳:
滲層組織:淬火后為碳化物、馬氏體、殘余奧氏體。滲層厚度（mm），0.3～1.6，表面硬度，57～63HRC，作用與特點，提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度，滲碳溫度（930℃）較高，工件畸變較大；應用，常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條。
滲碳件滲碳后，都要進行淬火、低溫回火，回火溫度一般為150～200℃。
經淬火和低溫回火后，滲碳件表面為細小片狀回火馬氏體及少量滲碳體，硬度可達58～64HRC，耐磨性能很好。心部組織決定于鋼的淬透性。普通低碳鋼如15、20鋼，心部組織為鐵素體和珠光體，硬度為10～15HRC。低碳合金鋼如20CrMnTi心部組織為回火低碳馬氏體、鐵素體及托氏體，硬度為35～45HRC，具有較高的強度、韌性及一定的塑性。
2.液體氮化 也稱軟氮化，低溫氰化，或者氮碳共滲，在滲氮過程中，碳原子也參與，因而比一般的單一氣體滲氮具有更高的滲速，在滲層表面硬度相當的情況下，氮化層的脆性也比氣體氮化小，軟氮化因此得名。 氮化主要是往爐中加入純氨，在200℃以上氨分解為活性氮原子，在500～580℃時，活性氮原子往鋼件表面滲氮和擴散，得到0.3～0.5mm厚的高硬度、耐腐蝕、抗疲勞的氮化層。
把含碳物質和氨同時通入爐內就是碳氮共滲，又叫氰化。它兼有滲碳和氮化的性能，氰化溫度低于滲碳，使工件變形小，而氰化速度比滲碳和氮化快，生產周期短。老的液體氮化法主要原料是氰化鈉，所以也有叫低溫氰化的，硬化層中的氮比碳的濃度高，因而氮碳共滲的稱法又被廣泛采用在氮化的過程中，當活性較大時，表面生成很薄的化合物層（10～30μm的ε相），隨后便是γ`和擴散層。當活性較小時，表面化合物相可以不出現，從而獲得得以彌散硬化為主的組織。
3.離子氮化 是利用輝光放電這一物理現象對金屬材料表面強化的氮化法。在低壓的氮氣或氨氣等氣氛中，爐體和被處理工件之間加以直流電壓，使產生輝光放電，在被處理表面數毫米處出現急劇的電壓降，氣體中的離子，向陰極移動，當接近工件表面時，由于電壓降劇降而被強烈加速，轟擊工件表面，離子具有的動能轉變為熱能，加熱了被處理的工件，同時一部分離子直接注入工件表面，一部分離子引起陰極濺射，從工件表面“濺射出”電子和原子，“濺出”的鐵原子和由于電子作用而形成的原子態氮相結合，形成FeN。FeN由于吸附和在表面上蒸發，因受到高溫和離子轟擊而很快地分解為低價氮化物而放出氮。一部分失去氮的鐵又被濺射到輝光等離子氣體中與新的氮原子相結合，促進氮化。