渗碳只能改变零件表面的化学成分，要使零件获得外硬内韧的性能，渗碳热处理后还必须进行淬火加低温回火，来改善钢的强韧性和稳定零件的尺寸。根据工件的成分、形状和力学性能等，渗碳后常采用以下几种热处理方法。
1）直接淬火+低温回火
将零件自热处理炉中取出直接淬火，然后回火以获得表面所需的硬度。直接淬火的条件有两点：渗碳热处理后奥氏体晶粒度在5-6级以上；渗碳层中无明显的网状和块状碳化物。20CrMnTi等钢在渗碳后大多采用直接淬火。
2）预冷直接淬火+低温回火
预冷的目的是减小零件变形，使表面的残余奥氏体因碳化物的析出而减少。预冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶粒没有变化，预冷温度应高于Ar3，防止心部析出铁素体，温度过高影响预冷过程中碳化物的析出，残余奥氏体量增加，同时也使淬火变形增大。
3）一次加热淬火+低温回火
将渗碳件快冷至室温后再重新加热进行淬火和低温回火，适用于淬火后对心部有较高强度和较好韧性要求的零件。
4）高温回火+淬火+低温回火
经高温回火后残余奥氏体分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，易于机械加工同时残余奥氏体减少，主要用于Cr-Ni合金钢零件。
5）二次淬火+低温回火
将工件冷至室温后，再进行两次淬火，然后低温回火。这是一种同时保证心部与表面都获得高性能的热处理方法，两次淬火有利于减少表面的残余奥氏体数量。
6）二次淬火+冷处理+低温回火
也称为高合金钢减少表层残余奥氏体量的热处理，多用于齿轮和轴类零件。
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