Karbonitrürleme, su verme ile sertleştirmeden sonra sert bir yüzey ve daha yumuşak bir çekirdek vermek için karbon ve nitrojenin çeliğin yüzeyine emilmesi ve yayılmasıdır. Karbonitrürleme, düz düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler ve dökme demirler için aşınma direnci ve orta derecede yük taşıma kapasitesi sağlayan bir yüzey ısıl işlemidir, bir tür sementasyondur.s
Düz karbonlu çeliklerde, eğer kasa yağda su verme ile tamamen sertleştirilecekse, gaz karbon lama kullanımının küçük kesit boyutlarıyla sınırlı olduğu görülmüştür. Azot ilavesi ( kapalı bir su verme fırınında fırın atmosferine propanın yanı sıra amonyak eklenerek sağlanır), hem karbon hem de azot difüzyonunun gerçekleşmesine izin vererek yüzey sertleşebilirliğini artırır. Bu nedenle karbonitrürleme, siyanür tuz banyosu sertleştirmesinin gazlı bir eşdeğeri olarak düşünülebilir. Kullanılan normal sıcaklık aralığı 820/910°C olup, uygun çeliklerin çoğunda en iyi yüzey sertleştirme koşulları için optimum sıcaklık 870°C'dir. Genellikle tekli su verme işlemleri uygulanır ve proses esas olarak 0,75 mm'ye (0,030″) kadar kasa derinlikleri için kullanılır. Sade karbonlu çeliklerde daha derin durumlar için sadece 930/950°C'de karbonlama yapmak ve ardından fırın sıcaklığını 870°C'ye düşürmek ve işlemi karbonitrürleme ve ardından yağ söndürme ile tamamlamak yararlıdır.
Karbonitrürleme ısıl işlemini sağlamak için akışkan yataklı fırınlar da kullanılabilir. Bu yöntem özellikle küçük parçaların ve kapalı su verme yönteminin kullanılması halinde geometrisi maskelemeye ve buna bağlı olarak düzensiz sertleşmeye eğilimli olacak parçaların işlenmesi için uygundur. Siyanürlü tuz banyosu işlemlerinin yerini, siyanürlü tuz banyolarının operasyonel ve bertaraf yönleriyle ilişkili sağlık ve güvenlik ve çevresel risklere sahip olmayan akışkan yatak işlemleri almıştır.
Tüm sertleştirme işlemlerinde olduğu gibi, kırılganlığı azaltmak ve optimum mukavemet sağlamak için bir temperleme işlemi ile bitirmek iyi bir uygulamadır. Hangi karbonitrürleme yönteminin kullanıldığına bakılmaksızın, 150°C'lik bir temperleme sıcaklığı genellikle uygundur.
Karbonitrürleme, daha düşük sıcaklıktaki ortağı nitrokarbürleme ile karıştırılmamalıdır.