許多機器零件要求表面有高的疲勞強度和耐磨性，這就需要進行表面化學熱處理。滲碳鋼和氮化鋼是為適應於滲碳和氮化熱處理工藝的需要而發展起來的鋼種。例如齒輪及軸等零件，除要求高的強度及韌性外，高的表面耐磨性往往是不可缺少的。耐磨性的提高必須配合強韌化熱處理，同時設法提高表面硬度，其中工程上最有效、最實用的方法就是通過化學熱處理，也就是滲碳及氮化來實現。
1）滲碳鋼及其熱處理
①滲碳鋼的服役條件和性能要求
以齒輪為例分折滲碳鋼的工作條件及對使用性能的要求。齒輪工作時，受到幾種應力的作用：如從嚙合點到齒根的整個齒面上均承受脈動彎曲應力，齒面接觸傳遞動力而造成的接觸應力，兩齒面相對運動(包括滾動與滑動)產生的摩擦力等。在這些應力的作用下，齒輪的常見的失效方式是彎曲疲勞破壞如斷齒、齒面產生接觸疲勞破壞如麻點和硬化層剝落等。由於齒輪的服役條件很複雜，齒輪用鋼不但應有高的耐磨性、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和屈服強度，而且還應有較高的塑性和韌性。
②滲碳鋼的成分特點
碳含量：滲碳件心部低碳含量(w(C)＝0.1％-0.25％)，這對保證零件心部有足夠塑、韌性。若碳含量過低，表面的滲碳層易於剝落；碳含量過高，則心部塑、韌性下降，表層的壓應力減少，從而降低彎曲疲勞強度。
合金化原則：主加Cr、Mn、Ni、Si、B等元素，提高心部淬透性和強化鐵素體，輔加W、Mo、V、Ti等元素，起到細化晶粒、進一步提高心部淬透性的作用。
③熱處理特點
預先熱處理（滲碳前）一般是正火，其作用是提高硬度、改善切削加工性能，同時也使組織均勻、消除組織缺陷、細化晶粒。最終熱處理一般為滲碳後進行淬火及低溫回火，以獲得高硬度、高耐磨性的表層及強而韌的心部。
根據鋼化學成分的差異，常用的最終熱處理方式有三種
第一種是滲碳後經預冷、直接淬火併低溫回火(稱直接淬火法)，適用於合金元素含量較低又不易過熱的鋼，如20CrMnTi鋼等。
第二種是滲碳後先緩冷至室溫，然後重新加熱淬火併低溫回火(稱一次淬火法)，適用於滲碳時易過熱的碳鋼及低合金鋼，或固體滲碳後的零件等，如20、20Cr鋼等。
第三種是滲碳後緩冷至室溫、又重新加熱兩次淬火併低溫回火(稱二次淬火法)，適用本質粗晶粒鋼和對性能要求很高的重要合金鋼工件，但因生產周期長、成本高、工件易氧化脫碳和變形，目前生產上已很少採用。
經最終熱處理後的組織應為，表層由回火馬氏體加粒狀合金碳化物及少量殘餘奧氏體組成，心部由低碳回火馬氏體及少量鐵素體(淬透時)或鐵素體加珠光體(未淬透時)組成。常用滲碳鋼熱處理後的力學性能見表8。
表8常用滲碳鋼熱處理後的力學性能
| 鋼種 | 熱處理工藝 | σs/MP | σb/MP | δ/% | ψ/% | αk/J/cm2 |
| 20 | 800℃水淬180℃-200℃回火 | 274-343 | 490-588 | ≥18 | ≥45 | - |
| 20MnV | 880℃油淬200℃回火 | ≥637 | ≥833 | ≥10 | ≥50 | ≥68 |
| 20CrMnTi | 870℃油淬200℃回火 | ≥834 | ≥980 | ≥10 | ≥45 | ≥69 |
| 25MnTiBRE | 850℃油淬200℃回火 | ≥1079 | ≥1373 | ≥10 | ≥45 | ≥59 |
| 22CrMnMo | 850℃油淬200℃回火 | ≥883 | ≥1177 | ≥10 | ≥45 | ≥69 |
| 20Cr2Ni4 | 780℃油淬200℃回火 | ≥1079 | ≥1177 | ≥11 | ≥45 | ≥78.5 |
| 18Cr2Ni4W | 850℃油淬200℃回火 | ≥834 | ≥1177 | ≥11 | ≥45 | ≥98 |
2）氮化鋼及其熱處理
氮化鋼多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼(如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA鋼等)。氮化鋼零件一般經過調質處理、切削加工、500—570℃氮化處理。
零件經滲氮處理後具有以下特點：
①由於存在表面化合物層，氮化後不需再進行任何其他熱處理，即可得到非常高的表面硬度，因而有高的耐磨性；
②有一定的耐熱性，在低於滲氮溫度下工作時可保持高硬度，改善抗腐蝕性能；
③可提高鋼件的疲勞強度，降低缺口的敏感性；
④由於氮化處理溫度較低，熱處理變形小，因此，特別適合於尺寸精度要求較高而最終熱處理要求變形小的機械零件(如工具機絲杆、鏜杆，大馬力內燃機曲軸等)。
隨著滲氮新工藝的發展，如氮碳共滲、離子氮化等工藝的採用。滲氮工藝的適用範圍不斷擴大，可通過氮化處理工藝改善性能的鋼種逐漸增多。如中碳合金結構鋼、鉻鋼、鉻鉬鋼、鉻釩鋼、鎳鉻鉬鋼、鉻錳鈦鋼、鉻含量(質量分數)為5％的模具鋼H11和H13，鐵素體和馬氏體不鏽鋼，奧氏體不鏽鋼和沉澱硬化不鏽鋼等。