由于合金渗碳钢的碳的质量分数低，生产中常将低、中淬透性的合金渗碳钢在锻造之后进行正火热处理以提高硬度，改善可加工性；对于高淬透性的合金渗碳钢，可将零件在锻造之后进行一次空冷淬火，再于650℃左右进行高温回火热处理，得到回火索氏体组织以利于切削加工。

为保证零件表面具有高的硬度和耐磨性，一般应在渗碳后进行直接淬火或一次淬火及低温回火热处理。热处理后零件表层获得高硬度和高耐磨性的回火合金马氏体和合金碳化物组织，表面硬度一般为58~64HRC。心部组织和硬度由合金渗碳钢的淬透性和尺寸而定，心部若淬透，回火后为低碳回火合金马氏体；若未淬透，则可能为少量低碳回火合金马氏体+合金托氏体+合金铁素体的复合组织。它们都具有较好的塑性、韧性以及足够的强度。

由于低碳马氏体具有优良的综合力学性能，因此近年来渗碳钢也可不进行渗碳，而是在淬火低温回火状态下使用，以获得低碳马氏体组织，用来制造某些要求综合力学性能较高的零件，如传递动力的轴、重要的螺栓等。