Хи́мико-терми́ческая обрабо́тка мета́ллов, одновременное термическое и химическое воздействие на металл с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя обрабатываемого материала. Химико-термической обработке подвергаются изделия из различных сортов стали, чугуна, чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия. В результате химико-термической обработки можно получить упрочнение поверхностных слоев этих материалов (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракционных). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабатываемых изделий различными элементами: углерода — цементация, азота — азотирование, углерода и азота — нитроцементация, цианирование, бора — борирование, алюминия — алитирование, кремния — силицирование, хрома — хромирование. Проникая в основную решетку металла, атомы соответствующего элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химическое соединение.
Процесс химико-термической обработки протекает в три последовательные стадии. На первой стадии происходит образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Этот процесс обусловлен диссоциацией, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента (например, диссоциацией окиси углерода, сопровождающейся выделением элементарного углерода, или диссоциацией аммиака с выделением азота).
Далее происходит адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образуются химические связи с атомами металла. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.
Следующая стадия химико-термической обработки – диффузия, то есть перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только в том случае, когда диффундирующий элемент может растворяться в обрабатываемом материале, и происходит при достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию, необходимую для протекания процесса. Глубина диффузии, на которую элемент проникает вглубь материала, возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся, например, при химико-термической обработке деталей, изменяя структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на их объёмные свойства. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава обрабатываемого материала.
Толщина диффузионного слоя, а, следовательно, и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности, тем больше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя. Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчаются из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла и сплава, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода химико-термической обработки. Химико-термическая обработка придает изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность.