La carbonitruración consiste en la absorción y difusión de carbono y nitrógeno en la superficie del acero para obtener una superficie dura y un núcleo más blando tras el temple. La carbonitruración es un tratamiento térmico superficial, una forma de cementación en caja, para aceros planos de bajo contenido en carbono y baja aleación y fundiciones, que proporciona resistencia al desgaste y una capacidad de carga moderada.
En el caso de los aceros al carbono sin alear, el uso de la carburación gaseosa se limita a secciones de pequeño tamaño si la caja debe endurecerse completamente mediante temple en aceite. La adición de nitrógeno (proporcionado por la adición de amoníaco y propano a la atmósfera del horno en un horno de temple sellado ) aumenta la templabilidad de la superficie al permitir la difusión tanto del carbono como del nitrógeno. Por tanto, la carbonitruración puede considerarse un equivalente gaseoso del temple por baño de sales de cianuro. El intervalo normal de temperatura empleado es de 820/910°C, siendo 870°C la temperatura óptima para obtener las mejores condiciones de cementación en la mayoría de los aceros adecuados. Generalmente se emplea un único tratamiento de temple y el proceso se utiliza principalmente para profundidades de caja de hasta 0,75 mm (0,030″). En el caso de cementaciones más profundas en aceros simples al carbono, resulta útil carburizar únicamente a 930/950°C y, a continuación, reducir la temperatura del horno a 870°C y completar el proceso mediante carbonitruración seguida de temple en aceite.
También pueden emplearse hornos de lecho fluido para el tratamiento térmico por carbonitruración. Este método es especialmente adecuado para el tratamiento de componentes pequeños y de aquellos cuya geometría sería propensa al enmascaramiento y al consiguiente endurecimiento desigual, si se utilizara el método de temple sellado. En la actualidad, los tratamientos con baños de sales de cianuro han sido sustituidos en gran medida por los tratamientos en lecho fluido, que no presentan los riesgos para la salud, la seguridad y el medio ambiente asociados a los aspectos operativos y de eliminación de los baños de sales de cianuro.
Como en todos los procesos de endurecimiento, es una buena práctica terminar con un tratamiento de revenido para reducir la fragilidad e impartir una resistencia óptima. Independientemente del método de carbonitruración utilizado, una temperatura de revenido de 150 °C suele ser adecuada.
La carbonitruración no debe confundirse con su compañera de menor temperatura, la nitrocarburación.