齒輪鍛件在鍛件廠生產中，都需要進行熱處理，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的要求，通常齒輪鍛件的熱處理方法有以下幾種。
1、齒輪鍛件表面淬火：常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr鋼等。表面淬火后，齒面硬度一般為40～55HRC。特點是抗疲勞點蝕、抗膠合能力高，耐磨性好。由于齒心部末淬硬，齒輪鍛件仍有足夠的韌性，能承受不大的沖擊載荷。
2、齒輪鍛件滲碳淬火：常用于低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達56～62HRC，而齒心部仍保持較高的韌性，齒輪鍛件的執彎強度和齒面接觸強度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。齒輪鍛件經滲碳淬火后，輪齒變形較大，應進行磨齒。
3、齒輪鍛件滲氮：滲氮是一種表面化學熱處理。滲氮后不需要進行其他熱處理，齒面硬度可達700～900HV。由于滲氮處理后的齒輪硬度高，工藝溫度低，變形小，故適用于內齒輪和難以磨削的齒輪，常用于含鉻、銅、鉛等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAlA。
4、齒輪鍛件調質：調質一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn鋼等。調質處理后齒面硬度一般為220～280HBS。因硬度不高，輪齒鍛件精加工可在熱處理后進行。
5、齒輪鍛件正火：正火能消除內應力，細化晶粒，改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪鍛件可采用中碳鋼正火處理，大直徑的齒輪鍛件可采用鑄鋼正火處理。
一般要求的齒輪鍛件傳動可采用軟齒面齒輪。為了減小膠合的可能性，并使配對的大小齒輪壽命相當，通常使小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度高出30-50HBS。對于高速、重載或重要的齒輪鍛件的傳動，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。