化学热处理包括渗碳、渗氮、渗硼、多元共渗等。按处理方法可分为气体法、固体法、盐浴法。选用不同的渗剂和工艺参数就形成气体渗碳、固体渗碳和盐浴渗碳等。气体法是将工件置于炉中加热，通入反应气体，在高温下使活化的气体原子渗入工件表面。气体法较为简单，但是处理时间一般较长。固体法是将粉状的固体渗剂与工件埋装在箱中，放入炉中加热，其优点是简便易行，其缺点是渗层质量不够稳定，开箱时空气污染较大。盐浴法是将固体渗剂加热到熔融状态，将工件置于盐浴内加热，一般渗层质量较好，适用于渗硼。盐浴共渗和盐浴渗氮需采用含氰的盐或反应中出现氰化物，这都属于剧毒品，应慎重选用。经盐浴处理的工件要仔细清洗，盐浴液有毒时，其清洗的废水也有剧毒，所以应用很少。化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。研究工作表明，高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可进行渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可能选取较低的加热温度和较短的保温时间，此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心，渗碳和碳氮共渗后，表层碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也有明显增加，可以增加钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）钢制模具进行渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后，模具的寿命均有显著提高。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内或在回火的同时进行表面渗氮或碳氮共渗。
渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工艺。离子渗氮可以缩短渗氮时间，并可获得高质量的渗层。离子渗氮可以提高压铸模的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性。
碳氮共渗可在气体介质或液体介质中进行，渗层脆性小，共渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模、热挤压模经碳氮共渗后可显著提高其热疲劳性能。碳氮共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模、拉深模等均有很好的应用效果。
冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研究工作都表明稀土有明显的催渗效果，从而发展了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。
以渗氮为主的气体碳氮共渗具有处理温度低、表面性能好的优点，在各种冷冲模、压铸模等模具中应用广泛。