由于合金滲碳鋼的碳的質量分數低，生產中常將低、中淬透性的合金滲碳鋼在鍛造之后進行正火熱處理以提高硬度，改善可加工性；對于高淬透性的合金滲碳鋼，可將零件在鍛造之后進行一次空冷淬火，再于650℃左右進行高溫回火熱處理，得到回火索氏體組織以利于切削加工。

為保證零件表面具有高的硬度和耐磨性，一般應在滲碳后進行直接淬火或一次淬火及低溫回火熱處理。熱處理后零件表層獲得高硬度和高耐磨性的回火合金馬氏體和合金碳化物組織，表面硬度一般為58~64HRC。心部組織和硬度由合金滲碳鋼的淬透性和尺寸而定，心部若淬透，回火后為低碳回火合金馬氏體；若未淬透，則可能為少量低碳回火合金馬氏體+合金托氏體+合金鐵素體的復合組織。它們都具有較好的塑性、韌性以及足夠的強度。

由于低碳馬氏體具有優良的綜合力學性能，因此近年來滲碳鋼也可不進行滲碳，而是在淬火低溫回火狀態下使用，以獲得低碳馬氏體組織，用來制造某些要求綜合力學性能較高的零件，如傳遞動力的軸、重要的螺栓等。