В зависимости от того, каким веществом насыщается поверхностный слой изделия, химико-термическую обработку подразделяют на цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование и т. п.
Цементация заключается в нагреве стального изделия в среде, легко отдающей углерод (например, древесный уголь). Цементацию проводят с целью последующей закалки поверхностного слоя изделия из низкоуглеродистой стали. Наружный слой изделия при этом становится твердым, а внутренние слои сохраняют вязкость и пластичность.
Азотирование состоит в насыщении стального изделия азотом на некоторую глубину. Азотирование не только повышает твердость поверхностного слоя, но также защищает его от воздействия агрессивной среды. Процесс осуществляется путем длительного нагревания готовых изделий в продуктах разложения аммиака.
Цианирование производится путем одновременного насыщения поверхностного слоя изделия углеродом и азотом. Режущий инструмент при цианировании обладает высокой износоустойчивостью, твердостью, хорошо противостоит действию переменных нагрузок.
Алитирование, хромирование и другие аналогичные процессы состоят в насыщении поверхности стальных изделий соответствующим металлом с целью обретения специфических свойств, например жаростойкости, стойкости против коррозии и т. д.