碳氮共渗后的工件还需进行后续的热处理工艺：可从共渗温度直接水淬、油淬、分级淬火，而后进行低温回火；对于细小工件也可从共渗温度直接气淬。碳氮共渗温度低于渗碳而高于渗氮，故又称中温渗碳，曾称氰化。

碳氮共渗因方法不同而分为气体碳氮共渗、液体碳氮共渗、离子氮碳共渗及真空脉冲碳氮共渗，多使用的是气体碳氮共渗。

碳氮共渗工艺原理与渗氮原理相似，随着处理时间的延长，表面氮浓度不断增加，发生反应扩散，形成白亮层及扩散层。碳氮共渗使用的介质，如氨气与甲烷或氨气与一氧化碳，在工艺温度下会分解出活性的氮、碳原子：

活性氮、碳原子同时被钢表面吸收，并逐渐达到饱和状态。与此同时，碳、氮原子同时向内部扩散，经过一段时间，便得到表面足够的碳、氮浓度和一定深度的渗层。碳、氮原子同时渗入，不是互相阻碍，而是互相促进。由于碳氮共渗时氨气与渗碳气体中的CH₄、CO相互作用，生成活性高的氢氰酸，提高了炉气的碳势和氮势，因而碳氮共渗速度比单一的渗碳要快得多。

并且由于氮的渗入，A₁、A₃点下降，扩大了γ相区，增大了碳、氮在奥氏体中的饱和度，并且增加了过冷奥氏体的稳定性，降低了临界淬火速度。因此，可以采用比渗碳更低的处理温度与更缓和的冷却方式，降低工件畸变和开裂的倾向。渗层的Ms点因氮的渗入而降低，因此，渗层淬火后，残余奥氏体量相对较多。试验结果表明，共渗层比渗碳层具有更高的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。相比于渗氮工件表面脆性显著降低，因此具有更高的抗压强度。

碳氮共渗兼具渗碳和渗氮的双重特点，低碳钢、低合金钢以及部分中碳钢均可进行该工艺的化学热处理，表面获得高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的强度和韧性，同时也提高了零件的疲劳强度。

在表面硬度相同的情况下，碳氮共渗层比渗碳层具有更高的强度。因而碳氮共渗层的深度可比渗碳层薄些，一般在渗层深度较薄时（一般小于1毫米），增加共渗层深度，可使抗弯强度提高，并大大提高了接触疲劳寿命，但挠度和冲击韧性减小。碳氮共渗的层深取决于工件服役条件和承载能力大小。一般经验，对于负荷小的工件共渗层可以薄些，而负荷大的渗层应厚些。比如，用中碳合金钢制造的变速齿轮，共渗层深常为0.1～0.15毫米。中国对一般的小模数齿轮，所需共渗层深度为：40Cr钢为0.25～0.4毫米，低合金渗碳钢为0.4～0.6毫米；模数大于4的重载齿轮为0.6～0.9毫米。碳氮共渗层的表面的碳氮浓度必须严格控制，才能保证获得良好的力学性能。如果碳氮含量过低，则不能获得较高的强度和硬度以及合理的残余压应力分布，致使疲劳强度和耐磨性降低。但氮碳浓度过高，不仅淬火后残余奥氏体过多并且出现大量不均匀的碳氮化合物，使工件表层容易脆裂剥落，还会使弯曲强度、冲击韧性和疲劳强度降低。而且由于合金元素与氮、碳原子形成碳氮化合物，使奥氏体中的合金元素严重贫化，显著降低奥氏体的稳定性，在淬火时易形成低硬度的屈氏体组织。一般认为表层最佳碳氮浓度(wt.%)为0.7%～0.95%C和0.2%～0.4%N。但有些在高接触应力下工作的零件，当要求表面有较多的碳氮化合物粒子时，表层含碳量可达1.2%～1.25%，甚至高达2%～3%，含氮量则一般都在0.5%以下。

碳氮共渗无需特殊设备，使用的是各种渗碳炉。碳势、氮势控制采用氧探头和氢分析仪为感应原件，配以计算机，可实现全自动控制。碳氮共渗工艺的推广和应用改善了单一渗一种元素的缺点，无论从工艺的流程缩短，还是零件的热处理质量的提高，都具有显著的优势，并且工艺已经成熟。