气体渗碳使用的渗剂可分为两大类，一类是煤油、甲醇、乙醇、丙醇、醋酸乙酯等液体有机物，工作时把它们滴入炉中裂解，即可生成含有CH₄、CO等供碳组分的气体，使用这些物质的气体渗碳方法称为滴注式气体渗碳；另一类是直接使用气体，其中应用较多的是吸热式可控气体及氮基可控气体这两类渗剂都可以用来进行可控气体渗碳(可定量控制碳势的渗碳方法)。

滴注式可控气体渗碳一般是将两种有机液体同时滴入炉中，其中之一裂解产生的气体碳势较低，用来作为稀释气体(或称载气)；另一种有机液体裂解产生的气体碳势较高，用来作为富化气，使炉内气氛的碳势提高到预定值，调节两种液体滴入量的比例，便可对气氛碳势进行控制。

吸热式气体是以丙烷或天然气为原料气，在特定设备中不完全燃烧生成的气体"以碳势较低的吸热式气体为载气，以丙烷或天然气为富化气，在载气流量不变，而富化气通向炉内的流量变化时，炉内气氛中的CO和H₂含量基本不变，因而同样可以用露点仪及CO₂红外仪监测气氛碳势，进行可控渗碳。

气体渗碳的关键工艺参数主要包括：温度、碳势和气压，根据工艺参数不同可将气体渗碳工艺分为：Ac₁以下低温渗碳、Ac₁-A_cm相区渗碳、高温渗碳、高浓度渗碳、真空低压渗碳等。

传统的渗碳工艺是将钢件加热到奥氏体状态进行的，因为根据铁碳平衡图可知，奥氏体对碳的固溶量最高可达2wt.%左右，而铁素体对碳的固溶量仅为0.02wt.%左右，因而一向认为珠光体相区的铁素体基体是不可能接受渗碳的。但是，根据相分析表明，高合金钢中的铁素体含有多种合金元素，如高速钢中的铁素体含有合金元素的总量达5wt.%左右，因此是合金铁素体。

研究表明，合金元素在铁素体中置换铁原子后，由于原子尺寸因素和电子因素的综合作用结果，引起点阵常数的变化，会相应增大铁素体的溶解能力，从而为在A_C1以下对高合金钢进行低温渗碳提供了内在依据。研究还表明，由于体心立方晶格的铁素体的致密度小，碳原子在其中较易迁移，因此碳在铁素体中的扩散系数比在奥氏体中的扩散系数大。故只要合金铁素体中固溶产生一定的碳浓度梯度，就有扩散能力形成有实用价值的渗碳层。

低温渗碳在不锈钢表面改性中具有重要意义。不锈钢具有优良的物理和化学性能，被广泛应用于机械工业、化学工业、食品加工业、制药、生物和核工业领域，然而其硬度低、抗磨损性能差，因而应用受到限制。不锈钢经低温渗碳也可获得具有高硬度、高耐磨性和优良耐蚀性的表面渗层。渗碳温度低于550℃，碳扩散进入材料表面，也不出现Cr的碳化物沉淀。获得的这种渗层称为含碳S相，或称含碳“膨胀”奥氏体。

过共析合金工具钢的渗碳是在A_C1-A_Cm温度之间的奥氏体+碳化物的双相区进行。渗碳温度一般为850～950℃，渗层表面含碳量达到1.4～2.0wt.%以至更高，碳化物呈颗粒状均匀分布。合金钢加热至A_C1-A_Cm的温度，奥氏体的化学成分极不均匀，并残存着大小不同的碳化物，这种组织在渗碳过程起着非常独特的作用。渗层表面碳浓度的增加是由于碳化物数量的增加，而不均匀奥氏体只起着输送碳原子的作用，因此能在不太高的碳势下实现较高浓度渗碳，并由表面向心部逐步下降。

高于常规气体渗碳温度930℃的渗碳称为高温渗碳。由计算，将温度由930℃提高至1050℃达到相同的渗层深度大约可缩短渗碳时间2/3以上。因此，对渗碳层较厚的大型轴承套圈、齿轮及齿轮轴等渗碳零件，适当提高渗碳温度，可以极大地缩短渗碳时间，提高渗碳效率，降低生产成本。显然，采用高温渗碳，节能和缩短工艺周期的效果是显著的。但渗碳温度过高，易损坏渗碳炉和渗碳工装，垫伤渗碳零件，使渗碳零件晶粒粗大，力学性能降低。美国的热处理技术路线图将之作为重点推广项目之一，并大力研究满足高于1000℃渗碳要求的渗碳设备、碳势检测和控制技术。

常规渗碳件表面的含碳量一般为0.8～1.0wt.%范围，为此，要求将渗碳工件表面含碳量超过此范围的化学热处理操作称为高浓度渗碳，或称作为“过剩渗碳”或“高饱和渗碳”。有些场合，渗碳工件的表面含碳量可高达2%～4wt.%。高浓度渗碳表面的组织特征是在常规渗层表面出现相当数量（可达到20%～50%）弥散均匀分布的细小颗粒状的合金碳化物。高浓度渗碳适用于含一定量Cr或Mo或Ni、Cr、Mo的合金钢。应用于42CrMo、20Cr、40CrNiMoA、和G10CrNi3Mo等钢。GCr15或100Cr6钢也可进行这种处理。高浓度渗碳工件的性能特征：①渗层硬度高，一般低合金钢的高浓度渗碳表面渗层的维氏硬度达1000（0.98N测试力时）左右或以上；②显著提高耐磨性；③具有高的疲劳强度；④渗层表面具有明显优于一般渗碳的回火稳定性；⑤具有高的高温硬度。

真空渗碳也称低压渗碳，是一种非平衡的强渗-扩散型渗碳过程。其一般过程描述为在具有一定分压的碳氢气氛的低真空的奥氏体化条件下进行渗碳和在低真空条件下进行扩散，在达到技术条件要求后于油中或高压气淬条件下冷却的一个过程。

工件渗碳的目的在于使表面获得高的硬度和耐磨性，因此渗碳后的工件，必须通过热处理使表面获得马氏体组织，渗碳后的热处理方法有3种：①直接淬火法。将工件自渗碳温度炉冷到淬火温度后立即淬火，然后在160～190℃进行低温回火。这种方法不需要重新加热淬火，因而减小了热处理变形，节省了时间和降低成本，但由于渗碳温度高，渗碳加热时间长，因而奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量较多，使工件性能下降，所以直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的工件。这是一般工厂经常采用的工艺。②一次淬火法。一是将工件自渗碳后以适当方式冷至室温，然后再重新加热淬火并低温回火。对于要求心部有较高强度和较好韧性的零件，可以细化晶粒。这是大型齿轮、齿轮轴等经常采用方法。③两次淬火法。将工件自渗碳后冷至室温后再进行两次淬火。第一次淬火的目的是细化心部晶粒，淬火温度较高，第二次淬火的目的是细化表层晶粒，淬火温度较低，这种方法适宜用使用性能要求很高的工件，缺点是工艺复杂，生产周期长，工件容易变形，工厂应用较少。

①气氛的配比基本稳定在一个范围内，并可实现气氛控制，产品质量易于控制；②渗速较快（0.2毫米/时），生产周期短，约为固体渗碳时间的1/2；③适合于大批量生产，既用于贯通式连续作业炉（如振底式、旋转罐式、输送带式、推杆式、转底式等），又适用于周期式渗碳炉（如井式、卧式和旋转罐式），可实现连续生产及渗碳作业的机械化和自动化；④劳动条件好，工件不需要装箱可直接加热，大大提高了劳动生产率和减轻劳动强度。