El tratamiento termoquímico de carburizado y temple se aplica extensivamente en la industria de fabricación de autopartes. Cuando el tratamiento se aplica en más de una etapa, su estudio por medio de experimentos se hace demasiado extenso por la gran cantidad de combinaciones de las variables de tratamiento que pueden obtenerse. Una alternativa de estudio viable es simular numéricamente el proceso y realizar experimentos virtuales, lo cual, en conjunto con la aplicación de técnicas estadísticas de diseño de experimentos, permite profundizar en el conocimiento del mismo a costos relativamente bajos, para encontrar así condiciones de tratamiento más favorables que repercuten en la disminución de costos de producción. En el presente estudio se simularon, con el paquete computacional comercial COMSOL Multiphysics®, las dos etapas de carburizado, de un proceso en cuatro etapas que incluye temple, de una flecha de transmisión, obteniéndose resultados que fueron validados por comparación con mediciones de dureza realizadas en piezas de producción tratadas, aplicando posteriormente un diseño de experimentos en base a un arreglo de Taguchi. Se obtuvieron así resultados de simulación para una variedad de combinaciones de parámetros de tratamiento, resaltando aquellas que implican una disminución de los costos de tratamiento.