Karbonitridace kombinuje účinek sycení povrchu součástí zároveň dusíkem i uhlíkem za teploty 550 °C až 590 °C, tedy nižší než nitrocementace. Z atmosféry tvořené čpavkem a oxidem uhličitým (CO2) dusík a uhlík difundují do součástí, které jsou ve feritickém stavu a na povrchu součástí se vytváří vrstva karbonitridů o hloubce 10-25 μm. Vzniká vrstva velmi tvrdá (dle materálu) a vysoce odolná proti zadírání a otěru. Pod touto vrchní vrstvou proniká dusík do feritu až do hloubky 0,6 mm (podle druhu oceli). Tato tzv. difúzní vrstva podporuje nosnost vrchní vrstvy karbonitridů a zvyšuje únavovou pevnost karbonitridovaných výrobků. Karbonitridace zároveň zvyšuje odolnost proti korozi.
Karbonitridace se používá pro chemické tepelné zpracování ozubených kol, vaček, hřídelí a ojnic.
