所謂兩次加熱淬火就是在滲碳后，進行兩次淬火處理，然后再低溫回火的熱處理工藝。

第一次淬火的主要目的是細化心部的晶粒，提高心部的強度和韌性，其次是可消除表面滲層中的網狀碳化物，并非進行表面層的第二次淬火準備良好的原始組織。為達到這樣的目的，第一次淬火的溫度常為A_c3+30~50℃，對碳鋼為880~900℃，對合金鋼為850~910℃。

第二次淬火的主要目的是使表面得到細針狀馬氏體、小顆粒均勻分布的碳化物和適量的殘余奧氏體（10%~20%）。如果要提高零件的搞抗接觸疲勞（點蝕）性能，而需要表面層有較多的殘余奧氏體時，除了要合理選擇材料和滲層碳濃度外，淬外溫度的選擇也是重要因素之一。提高第二次淬火的溫度，奧氏體內的溶碳量增多，奧氏體的穩定性提高，使馬氏體轉變的開始點M_s和終止點M_f下降，在此增加了淬火后的殘余奧氏體量；反之，則殘余奧氏體量減少。當發現表層殘余奧氏體過多時，可以適當降低第一次粹火的溫度。一般情況下，第二次淬火的溫度為A_c1+40~60℃，即在A_c1～A_c3之間（760～800℃）。第二次淬火加熱的保溫時間要短，只要表層形成細晶粒奧氏體后就應立即淬火，這樣可以增加條狀馬氏全數量，改善滲層的韌件。此外，如果保溫時間過長，會使心部析出較多的鐵素體，使強度下降。

兩次淬火處理的特點是表面層和心部都能得到比較滿意的組織和性能。它的缺點是加熱、冷卻的次數多，工藝較復雜，消耗能源多，生產成本高，易于產生氧化脫碳和變形的缺陷。因此，僅適用于承受重載荷的滲碳件，或者是滲碳后的不正常組織無法用直接淬火或一次淬火加以消除時，才考慮選用兩次加熱淬火處理。