Karbonizace (často také nazývaná nauhličování) je proces, při kterém se do kovu dostává uhlík. Provádí se proto, aby byl povrch tvrdší a odolnější proti otěru.
V závislosti na době a teplotě se může obsah uhlíku v zasažené oblasti lišit. V dřívějších dobách se pro nauhličování na kov přímo přikládalo dřevěné uhlí. Moderní techniky využívají plyny nebo plazmu obsahující uhlík (např. oxid uhličitý nebo metan). Karbonizace se používá především ke zpevnění povrchu nízkolegovaných ocelí.
Příliš velká koncentrace uhlíku činí kov křehkým a neopracovatelným, takže pak může dojít k oduhličení kovů.