⑴ Površinsko kaljenje:
Površina čelika se brzo zagrijava na kritičnu temperaturu, ali toplina se nije stigla proširiti do jezgre prije brzog hlađenja, tako da se površinski sloj može ugasiti u martenzitno tkivo, a jezgra nije prošla kroz faznu transformaciju, što omogućuje površinsko očvršćavanje i nepromijenjenu jezgru. Pogodno za srednje ugljične čelike.

⑵ Kemijska toplinska obrada:
Odnosi se na atome kemijskih elemenata koji imaju sposobnost atomske difuzije na visokim temperaturama, prodiru u površinski sloj obratka, mijenjajući kemijski sastav i strukturu površinskog sloja obratka, kako bi se postigao površinski sloj čelika sa specifičnim zahtjevima organizacije i izvedbe procesa toplinske obrade. Prema vrstama infiltracijskih elemenata, kemijska toplinska obrada može se podijeliti na cementaciju, nitriranje, cijanidaciju i infiltraciju metala.
Cementacija: Cementacija je proces kojim atomi ugljika prodiru u površinski sloj čelika. Namijenjen je izradi obratka od niskougljičnog čelika s površinskim slojem od visokougljičnog čelika, a zatim kaljenju i otpuštanju na niskim temperaturama, tako da površinski sloj obratka ima visoku tvrdoću i otpornost na habanje, a srednji dio obratka i dalje zadržava žilavost i plastičnost niskougljičnog čelika.
Nitriranje, ili nitriranje, je proces kojim površinski sloj čelika prodire u atome dušika. Svrha je poboljšanje tvrdoće i otpornosti na habanje površinskog sloja te poboljšanje čvrstoće na zamor i otpornosti na koroziju. Trenutno se u proizvodnji koristi metoda plinskog nitriranja.
Cijanizacija, također poznata kao karbonitriranje, je istovremena infiltracija atoma ugljika i dušika u čelik. To daje površini čelika svojstva cementacije i nitriranja.
Penetracija metala: odnosi se na prodiranje metalnih atoma u površinski sloj čelika. To je proces legiranja površinskog sloja čelika kako bi površina obratka imala određene karakteristike legiranog čelika, kao što su otpornost na toplinu, otpornost na habanje, otpornost na oksidaciju, otpornost na koroziju itd. Uobičajeno se koristi u proizvodnji aluminizacije, kromiranja, boriranja, silicija i slično.