化学热处理可有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合和抗氧化等性能。根据渗入元素的不同，模具的化学热处理可分为：渗非金属（如渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、渗硼、硼氮共渗、硼氮碳共渗、渗硫、硫氮共渗、硫氮碳共渗、渗硅等）、渗金属（如渗铬、渗铝、渗钒、渗锌或多元金属共渗）等，以及高能束表面合金化等化学热处理。
模具经渗碳、淬火和低温回火后可以获得很高的表面硬度、耐磨性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部仍保持良好的韧性。因此，渗碳工艺主要应用于同时承受严重磨损和较大冲击载荷的模具。对于冷作模具、热作模具和塑料模具，渗碳都可起到提高模具寿命的作用。模具常用气体渗碳和离子渗碳。
中、高碳的低合金模具钢和高合金钢均可以进行渗碳或碳氮共渗。如W6Mo5Cr4V2 和6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）钢制模具渗碳后，使用寿命均有显著提高。 它是采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂进行渗碳的工艺方法，其中滴注式气体渗碳应用最广。气体渗碳多用于承受大冲击载荷、高强度和使用硬度为58～62HRC的中、小型模具。 将模具装入真空炉后开始抽真空，当炉内真空度为13～1.3Pa时，向炉内充入甲烷气体，内部压力为1300～2600Pa，在阳极和阴极间激发辉光放电并进行渗碳，此时的电压为500～800V。离子渗碳比真空渗碳、常压渗碳等具有更深的渗碳层和更高的表面硬度。 即碳化物弥散渗碳法，将含有大量强碳化物成形元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具钢，在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中沉积出大量的弥散合金碳化物，呈细小均匀分布，经过淬火、回火后模具表面可获得很高的硬度、耐磨性和抗咬合性能。 渗碳主要用于承受冲击载荷很大，要求高强度和良好的抗裂性能的小型模具及冷成形的塑料模具等。
与单一渗碳相比，碳氮共渗有许多优点，主要表现在提高了模具的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，而且由于碳氮共渗温度较渗碳温度低，共渗后一般可直接淬火，并减少了模具的畸变。模具常用中温气体碳氮共渗。碳氮共渗渗层深度可达0.6～0.7mm。由于增加了碳、氮含量，提高了渗层强度，增加了基体材料的抗压强度，降低了摩擦因数，同时能保持心部的韧性和导热性，使模具具有良好的综合性能。 与渗碳相比，模具渗氮后可获得比渗碳更高的疲劳强度、耐磨性、热硬性、抗咬合性，更低的缺口敏感性，以及良好的耐蚀性。此外，渗氮温度低（500～570℃），渗氮后不需要热处理，模具畸变很小。模具常用的渗氮钢有38CrMoAlA、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV 等。模具渗氮前通常进行调质处理。渗氮适用于精度要求较高的模具。由于渗氮层很薄，因此渗氮只适合于轻载荷的模具。模具常用气体渗氮、离子渗氮等。 采用500～650℃高温回火的合金钢模具，均可在低于回火温度的范围或在回火的同时进行表面渗氮或氮碳共渗。 气体渗氮是在气体介质中进行渗氮的化学热处理。模具经气体渗氮处理后，表面硬度可达950～1200HV。渗氮可使模具具有很高的热硬性和高的疲劳强度，提高模具的抗咬合能力，降低模具的表面粗糙度。模具常用气体等温渗氮（一段渗氮）、气体二段渗氮等。 离子渗氮是在一定真空下，利用模具（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的化学热处理，故又称为辉光离子渗氮。离子渗氮优点：渗速快，是气体渗氮的3～4倍；渗氮层具有一定的韧性；渗氮后模具畸变小；表面银白色，质量好；对材料的适应性强，碳钢、铸铁、合金钢等都可以进行离子渗氮。
离子渗氮可提高模具的耐磨性、耐蚀性、抗热疲劳性及抗黏着性，广泛用于受冲击载荷较小的热锻模、热挤压模、压铸模、冷挤压模、冲裁模等，可使模具寿命显著提高。 退氮是从渗氮件表层去除过剩氮的化学热处理工艺。
氮碳共渗是在500～600℃温度内进行以渗氮为主的化学热处理。氮碳共渗具有处理温度低、时间短、畸变小特点，经氮碳共渗模具具有一定的耐热性、耐磨性、耐蚀性、抗咬合性能和低的摩擦因数，可用于要求硬化层薄、载荷较小的冷作模具及热作模具。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冲裁模和拉深模等均有很好的应用效果。压铸模、热挤压模具经氮碳共渗后， 可显著提高热疲劳性能及寿命。
常用气体氮碳共渗工艺：共渗温度为570～600℃，保温时间为3 ～5h，共渗介质有：氨气+ 乙醇、尿素、甲酰胺等。 渗硼是将模具置于渗硼介质中，加热至800～1000℃，保温1～6h，渗剂分解出硼原子并渗入模具表层的化学热处理。模具渗硼后，表面形成的硼化物及碳化物具有极高的硬度（1500～2000HV）、热硬性（900～950℃）。模具渗硼后的硬度、耐磨性、耐热性和耐蚀性均高于渗碳和渗氮。渗硼是一种提高模具寿命的有效方法。模具常采用固体渗硼、盐浴渗硼、膏剂渗硼。
渗硼技术常应用于各种冷作模具，由于耐磨性提高，模具寿命可提高几倍或十几倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼技术也可以用于热作模具，如热挤压模等。渗硼除用于钢外，还用于硬质合金、有色金属和难熔金属等。由于渗硼层脆性较大、渗层较薄，因此渗硼不适于承受大的冲击载荷、高的接触疲劳以及形状复杂、尺寸精度要求高的模具。 模具渗硼的缺点是渗层脆性高，淬火时易产生裂纹，因此最好使渗硼温度与淬火温度接近，渗硼与淬火相结合进行，或采用硼氮共渗、硼碳氮共渗，以加强过渡区，使硬度变化平缓。为减小渗硼层的脆性，也可采用硼钒、硼铬、硼铝、硼稀土共渗等方法。 它是将模具埋在含硼的粉末中，并加热到850～1050℃，保温3～5h，可获得0.1～0.3mm 厚的硼化物层，表层的硬度高达1400～2800HV。固体渗硼适用于处理大型模具，其优点是设备简单，操作方便，模具表面易于清洗。 盐浴渗硼温度一般为950～1000℃，时间一般不超过6h。时间过长易使渗硼层变脆。盐浴渗硼的特点是设备比较简单，操作方便，但模具粘盐后不易清洗，带有小孔、不通孔的模具不宜采用盐浴渗硼。 常用的盐浴渗硼方法是在800～1000℃ 盐浴中加热2～6h。硼化物层的厚度为0.10～0.20mm。在模具表面形成金属硼化物层的同时可进行淬火处理，以提高基体强度。此法可用于冲裁模、冷挤压模、拉深模、冲裁模、冷镦模及热锻模、压铸模、热挤压模，以及塑料模具等，可成倍提高模具寿命。 用固体渗硼剂粉末与黏合剂调制成膏剂渗硼剂，在被渗模具表面涂覆厚约1～2mm 的渗硼剂，装箱加热或在保护气氛中加热即可。膏剂渗硼既保留了固体渗硼的优点，又减少渗硼剂的消耗量，而且易于局部渗硼，因此特别适于模具渗硼。
模具经硼氮共渗后具有高的硬度、耐磨性和耐热性，同时渗层脆性较小，从而提高了过渡层的强韧性。而且较单一渗硼层更深，具有更高的压应力和断裂强度、塑性和韧性。 也就是渗硼后再进行渗硫，使模具表面在高硬度的渗硼层基础上再覆盖一层减摩性良好的渗硫层，从而减少模具的黏着磨损， 提高模具寿命。
标准件行业的冷锻模、冷镦模，陶瓷行业的陶瓷模和工作载荷较低、易受急剧磨损的冷作模具等经过渗硼处理，模具寿命提高1～10 倍。渗硼技术在压铸模、热挤压模和一些热锻模上应用也较多。
模具经渗硫处理后具有摩擦因数小、耐磨性好、抗咬合性高、抗擦伤能力强等特点。模具常用低温盐浴电解渗硫。低温电解渗硫是以模具为阳极，坩埚或辅助工具为阴极，在硫氰酸盐浴中，通过电场的作用，熔盐发生电解产生S2 -离子并推向阳极，与Fe2 + 离子结合形成硫化层。 模具淬火后经低温电解渗硫后仍能保持高的硬度， 模具畸变较小。 （1）低温盐浴电解渗硫规范 熔盐成分（质量分数）：KCNS75%+ NaCNS25%+K4 Fe（CN）61%～3%。处理温度为180～200℃，时间为10～25min，工作电压为0. 8 ～4V，工作电流为2 ～7A。 （2）工艺流程 脱脂酸洗→水清洗（干燥） →装夹→烘干（预热） →电解渗硫→清洗→烘干→浸油→检验。 氧氮共渗是在渗氮的同时通入含氧介质，可实现模具钢的氧氮共渗。处理后的模具兼有蒸汽处理和渗氮处理的共同优点。渗层分为三个区：表面氧化膜、次表层氧化区和渗氮区。 表面的多孔Fe3O4层具有良好的减摩性和抗黏着性。氧氮共渗温度为540 ～590℃，共渗时间为1～3h。由于氧氮共渗工艺温度较低，处理后模具畸变微小。 （1）氧氮共渗介质 应用最多的渗剂是浓度不同的氨水。 （2）氧氮共渗规范 氧氮共渗温度一般为540～590℃，共渗时间为1～3h；氨水的质量分数以25%～30%为宜。排气升温期氨水的滴入量应加大，以便迅速排除炉内空气。共渗期氨水的滴量应适中，降温扩散期应减小氨水滴量，使渗层浓度梯度趋于平缓。炉内保持300～1000Pa 的正压。 在标准件行业中，采用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、6Cr4W3Mo2VNb （65Nb）、7Cr7Mo3V2Si（LD-2） 等钢制成的模具，经淬火、二次硬化回火以及磨削加工后，再进行氧氮共渗或氮碳共渗，可进一步提高模具的耐磨性，从而提高模具寿命。 模具的多元共渗及复合渗是在模具表层渗入多于一种元素的化学热处理，在模具上应用较多的是碳氮共渗、氮碳共渗、硼氮共渗、硫氮碳共渗等。 模具的多元共渗能在比渗碳及碳氮共渗温度低的前提下提高模具性能，可使模具表面硬度高，耐磨性、耐蚀性、抗高温（650℃） 氧化性及自润滑效果好，同时模具畸变减小。 在较低温度下实现硼氮碳三元共渗，可以提高模具硬度、韧性、耐磨性及疲劳强度，减少模具畸变。共渗温度为780～860℃，共渗速度为0.15 ～0.2mm/ h，出炉后油冷或水冷。硼碳氮三元共渗可在井式气体渗碳炉中进行。将硼碳氮三元共渗剂装入小料筐内， 然后悬挂在加热炉中即可。
以模具钢Cr12MoV 制模具为例，其加工成本较高，并且容易产生脆裂， 使用寿命较低。采用硼碳氮三元共渗技术，可用40Cr代替Cr12MoV。采用硼碳氮三元共渗的40Cr模具的表面性能与Cr12MoV 钢的模具相当，完全能满足使用要求，但材料成本降低，模具寿命延长。
它是在一定温度的共渗介质中，使S、N、C 同时渗入模具表面的化学热处理。它可赋予模具优良的耐磨、减摩、抗咬合、抗疲劳等性能，并能改善模具的耐蚀性。常用共渗方法有气体法与盐浴法。3Cr2W8V 钢制热作模具经硫氮碳共渗后，比离子渗氮、离子氮碳共渗有更高的渗层硬度、耐磨性和抗咬合性能。
它是在一定温度的共渗介质中，使C、N、B 同时渗入模具表面的化学热处理。
武汉材料保护研究所研制的J-1型再生盐用于LT 处理工艺，可实现模具表面的N-S-C-O 四元共渗。该工艺提高了模具表面的抗咬合性、耐磨性、抗疲劳性和耐蚀性等，可显著提高模具寿命。
