常规的热处理，都是通过一定的加热温度和一定的冷却方式，使钢的组织发生变化，从而获得所需要的力学性能。而化学热处理则是利用固态扩散使其他元素渗入金属工件表面的热处理工艺。这种处理，除基体组织的变化以外，还有因各种元素渗入金属表面，使金属表面层的成分发生变化，由此使得表面层具有与心部不同的组织与性能。
模具工作零件的工作条件十分恶劣，模具的寿命取决于模具工作零件的力学性能，例如，冲压模具的凸、凹模，工作时受到严重的冲击、挤压和摩擦等力的作用，这就要求其心部具有较高的强度和韧性，工作表面具有很高的硬度、耐磨性和抗疲劳极限，塑料注射模具要求其工作零件具有较高的耐蚀性，热锻模和压铸模具要求其工作零件具有高的耐热性能，并且在高温条件下还要具备足够的强度。对这样的技术要求，仅靠选用好的钢材和使用一般热处理方法不能有效地提高模具寿命。采用化学热处理方法可以有效地满足上述对提高模具寿命的不同要求。根据渗入元素的不同，可以将化学热处理分为渗碳、渗氮、氮碳共渗、渗硼和渗金属（包括渗铝、渗铬、渗铌、渗硅及渗入其他元素）。对于渗入两种或两种以上元素的，称为二元或多元共渗；先后渗入两种或两种以上元素的，称为二元或多元复合渗。化学热处理是将工件放在含有渗入元素的活性介质中，加热一定温度后进行保温，使渗入元素被吸附并扩散渗入到工件表面。无论哪种元素的化学热处理，都包括分解、吸收、扩散三个基本过程。
1.渗碳及其目的、种类和方法：
渗碳是将低碳钢（碳的质量分数通常为0.10％～0.25％）的零件，在渗碳介质（渗碳剂，有固体、液体、气体）中加热到900～950℃，使碳原子渗入其表面层，表面获得高碳渗层，即获得高淬硬性的工艺过程，称为渗碳。渗碳淬火回火后工件表面层获得高碳回火马氏体，而零件心部获得低碳马氏体（或铁素体及托氏体），在保持心部基体高韧性的条件下获得了表面层的高硬度，硬度可达56～65HRC，从而提高零件的疲劳强度和耐磨性。
渗碳一般分为气体渗碳、固体渗碳及液体渗碳方法。目前生产中应用较多的是气体渗碳和固体渗碳。实践证明，渗碳层中碳的质量分数应在0.8％～1.1％之间，最好是0.85％～1.05％。表面碳浓度低，耐磨性与疲劳强度不足；表面碳浓度过高，渗碳层脆性增加，容易出现网状或块状碳化物。
渗碳层深度通常是在0.5～2mm之间，其波动范围不应大于0.5mm。渗碳层深度小于0.5mm时，渗碳不易控制，应采用碳氮共渗。渗层深度大于2mm时称为深层渗碳，如特大型渗碳轴承的渗碳层为3.5～5mm。
为了在保持心部韧性的条件下表面能有高的硬度和耐磨性，渗碳后必须淬火，随后进行低温回火。本质细晶粒钢，如20CrMnTi钢渗碳后奥氏体晶粒还比较细，可以出炉或出炉预冷到高于Ar₁或Ar₃（760～850℃）后直接淬火。本质粗晶粒钢，渗碳后要立即出炉或降温到860～880℃出炉，冷却到室温后再重新加热淬火，这种工艺方法称为一次淬火，使用比较广泛。
（1）气体渗碳气体渗碳是将工件置于密封的加热炉（井式炉）中，通入天然气和丙烷气体等渗碳剂，并加热到渗碳温度（常用为930℃），使工件在高温的渗碳气氛中利用气体分解使碳渗入工件表面。此方法的优点是渗碳层均匀，渗碳过程容易控制，生产率高，且容易实现机械化和自动化操作；缺点是气体炉内的气体如含有硫，会腐蚀工件。
（2）固体渗碳固体渗碳是将被渗的工件和渗碳剂一起装入渗碳箱中，工件居中，四周为渗碳剂，然后用盖和耐火泥将箱密封，再放入箱式炉内加热并保温一定时间后出炉。此方法生产率低，劳动条件差，渗碳层深度不易控制，而且不太均匀，故逐渐被气体渗碳法所代替；但由于设备简单，渗碳剂来源广，成本低，仍被一些小企业使用。
（3）液体渗碳液体渗碳是主要用含碳原子的盐类，如Na₂CO₃、SiC等和催化剂盐类放在盐浴炉内熔融，将工件放入盐液内渗碳。此方法加热快，渗碳层均匀，单件小批量生产及小型工件比较适用；缺点是工件上附着盐，必须把它煮沸清除，否则会腐蚀工件。
渗碳处理适用于低碳钢（碳的质量分数＜0.25％），模具中的导柱、导套常采用渗碳处理。渗碳层深度取决于保温时间，一般以每保温一小时渗入深度多少计算。固体渗碳法，每保温1h，渗入深度为0.1～0.15mm。气体渗碳的渗碳速度要高于固体渗碳。近期又开发应用真空渗碳、可控气氛渗碳、离子渗碳等。对缩短渗碳时间、表面不氧化、提高渗碳件质量大有帮助。
2.渗氮及其目的和应用：
渗氮就是将工件放在含氮的介质中，加热到较低温度（480～600℃），使氮原子渗入其表面，形成以氮化物为主体的渗层，渗后不必进行提高硬度的淬火处理，表层就有很高的硬度，有些钢种的渗氮层硬度高达1000～1200HV（＞68HRC）。
渗氮工艺的最大优点是处理温度低，渗氮工件变形小，生成的氮化物表层很硬，耐磨性远高于渗碳层，耐蚀性、耐热性、耐疲劳强度也很好。在模具中主要用于型腔模、拉深模，特别是压铸模的型腔表面。
渗氮的缺点是周期长（少则几个小时，多的几十个小时），生产率低，成本高，渗氮层较薄（一般＜0.8mm），不宜承受太大的接触应力和冲击力。渗氮按目的不同分为：强化渗氮（硬渗氮）和耐蚀渗氮。
耐蚀渗氮主要用于提高高碳钢、合金钢、塑料模具钢及电工钢工件的耐蚀能力；强化渗氮主要用于要求表面硬度高、耐磨性好、热处理变形小的高精密工件。模具型腔零件渗氮工艺过程是：正火→加工型腔→调质→精加工型腔→去应力退火→渗氮。
模具用的渗氮工艺属于强化渗氮，目的是增加抗磨能力，提高抗疲劳性能，也有一定的耐蚀能力。处理后不再进行加工就可以使用，高精度的工件也只需要精磨、研磨或抛光。
渗氮的方法分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮、离子渗氮等。气体渗氮处理时间长，气体消耗量大，且渗氮层显示脆性，对承受大载荷的模具表面常出现裂纹和脆后剥落；液体渗氮温度低、时间短、模具变形小，但盐浴或盐浴反应产物有一定毒性，需考虑盐浴的危害性及其防止；离子渗氮速度快，而且可以通过改变处理参数达到最好的渗氮层组织及所需的性能，表面质量好，易于局部防渗氮处理，无公害。因此，离子渗氮被广泛用于模具，其缺点是所用设备比较复杂。
不是所有的钢都能渗氮，必须是含铬的钢，如40Cr、40CrNiMoAl、3Cr2W8V、Cr12MoV、20Cr13等做模具用铬合金钢；而压铸模用3Cr2W8V和4Cr5MoSiV（H13）。
3.氮碳共渗及其目的和应用：
氮碳共渗是在520～570℃低温下使工件表面同时渗入氮、碳元素（以氮为主）的化学热处理工艺过程。其目的与渗氮相似，是为了提高工件的表面硬度、耐磨性、抗咬合性及疲劳强度等。它的优点是处理时间短（一般为1～6h）、温度低、变形小；缺点是渗层比较薄（常为0.1～0.5mm，其中化合层为5～20μm）。普遍用于模具、量具等需耐磨工件的处理。而且氮碳共渗适用于各种不同化学成分钢种的强化，如碳钢、低碳合金钢等都可以进行。所以能用于各种模具的型腔表面。氮碳共渗可在气体、液体和固体等多种介质中进行。其中气体氮碳共渗用得最多。强化渗氮后的表面呈银灰色、无光泽。碳氮共渗后的表面呈灰色，有时有黑色条纹。
4.渗硼及其目的和应用：
渗硼是将工件置于含硼的介质中，经过加热与保温，使硼元素渗入其表面层，形成硼化物的工艺过程。
渗硼层具有如下特性：
（1）高硬度与耐磨性钢铁渗硼后表面硬度可达1300～2300HV，耐磨性极高，耐磨性优于渗碳和渗氮。
（2）高温抗氧化性及热硬性经渗硼处理的模具，一般可在600℃以下可靠地工作。将渗硼件放在电炉中加热，在不加保护的情况下加热到800℃以上，保温30min空冷后，检验其渗硼层组织，仍保持完好无损，具有良好的抗高温氧化能力。
（3）高耐蚀性渗硼层在酸（除硝酸外）、碱、盐的溶液中都有较高的耐蚀性。
（4）渗硼层脆性较大在承受较大冲击载荷时，容易发生渗层剥落与开裂，故渗层不宜过厚，一般取0.03～0.10mm。渗硼采用均匀化退火及共晶化处理，可降低脆性。
适合渗硼的材料十分广泛，几乎所有的钢铁材料，如结构钢、工具钢、模具钢、铸铁均可进行渗硼，硬质合金、有色金属也可以进行渗硼。但对于钢中硅的质量分数≥2％的材料，由于渗硼时，硅被挤到硼化物下面，形成富硅区，出现铁素体软带，容易造成模具过早失效，所以不宜用渗硼处理，像38CrMoAl含铝钢也不宜用渗硼处理。
渗硼在模具上的应用主要是为了提高模具工作零件表面硬度、耐磨性和耐蚀性，特别是耐磨粒磨损能力，耐磨寿命可提高十几倍。在模具中常用于粉末冶金法压制硬质合金压模、砖成形模板、拉深模、弯曲模、热冲模、压铸模及塑料模等。渗硼有固体法、液体法、气体法和离子法等，目前应用较多的渗硼方法仍然是固体法和液体法。
模具工作零件渗硼应用实例见表4-17。

5.渗金属及其作用：
利用化学热处理方法将金属（如铬、钒、铌、钛、镍等）原子渗入工件表面的工艺，称为渗金属。
渗金属与渗硼工艺相近，区别在于加入了金属元素。即利用Cr、V、Nb、Ti与C的亲和力比铁强，能从钢中获得碳原子的能力，形成金属碳化物渗层。这些碳化物渗层往往具有超高硬度、高耐磨性等特性，这正是渗金属所要达到的目的。渗铬工艺常用于耐腐蚀、抗高温氧化、耐磨损和需提高疲劳强度的工件，适用于碳钢、合金钢、铸铁、铁基合金、镍基合金、钴基合金、难熔金属等材料的表面改性处理。
渗钛可提高钢铁的耐蚀性、表面硬度和耐磨性，可提高铜基合金、铝基合金的表面硬度、耐磨性、热稳定性等性能。渗钒、渗铌工艺主要用于要求超高硬度、高耐磨性的工件。
几种碳化物覆层与其他处理方法的性能对比见表4-18。

热处理常用的临界温度符号及说明见下表。