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  滲碳氮化類似氣體滲碳,不過在滲碳氣體中加入氨以提供氮原子。工件的表面會吸收氮原子,和碳原子一起擴散到工件中。滲碳氮化的溫度(約850 °C / 1550 °F)略高於一般滲氮的溫度(約530 °C / 990 °F),但略低於滲碳溫度(約950 °C / 1700 °F),時間也較短。滲碳氮化比滲碳要經濟,而且可以減少淬火時的變形。其溫度較低,因此可以使用油淬火,甚至是配合保護氣體,進行氣體淬火。

  滲碳氮化會形成堅硬、抗磨的表面,厚度約0.07 mm至0.5 mm,其硬度會比滲碳表面要硬。滲碳氮化深度視應用而定,若深度越深,材料抗磨損的壽命會越長。滲碳氮化部位只會影響工件的最上層,不會另外沉積產生一層,因此不會明顯改變工件的尺寸。  滲碳氮化的最大深度一般會限制在0.75 mm,若深度超過此數量值,擴散需要的時間會太長,因此不經濟。若要限制氮的濃度,一般會比較傾向設定較短的製程時間,因為加氮比控制碳要困難。過多的氮會在工件上造成大量的殘餘奧氏體(retained austenite)及孔穴,是高硬度的工件不希望出現的特性。

  滲碳氮化比滲碳多了以下的優點:首先,在回火時抵抗軟化的能力較強,也可以增加疲勞強度及衝擊強度。也可以同時使用滲碳氮化及滲碳,讓材料較深部分有理想的材質,因此在實際的應用上也會有較好的效能。滲碳氮化特別適合於表面硬化性低的鋼,例如閥座。此製程一開始是以約900-955°C的溫度,滲碳加工到需要的深度(最多2.5mm),再進行滲碳氮化使表面有滲碳氮化的特性。工件之後會進行油淬火,工件表面的硬度會比滲碳要硬,而且加了滲碳氮層,可以增加殘留應力,使得抗疲勞能力及強度梯度都可以提高。

  滲碳氮化常用在需要表面硬化的應用中,例如齒輪的齒、凸輪、軸、軸承、緊韌體、大頭針、液壓機械的活塞桿、汽車的離合器、工具、模具及耕作工具。
滲碳氮化(Carbonitriding)是金屬加工中的表面改質技術,可以提高金屬表面硬度,減少損蝕。