回火是利用加热缓解淬火工件内积蓄的应变，调整硬度提高韧性的热处理方法。在回火过程中，碳化物从淬火形成的硬而脆的马氏体中析出，淬火马氏体变成韧性好的回火马氏体，同时钢中的残余奥氏体被分解，产生二次硬化的效果。
大部分工具钢是在高温状态下使用的，所以一般采用二次硬化型的高温回火处理(500～650℃)，以获得模具的稳定性。但对冷作模具用工具钢，有时采用200℃左右的低温回火处理。图4是SKD11的回火温度和硬度、残余奥氏体量的关系。以SKD11为代表的高碳钢的马氏体转变终了温度在室温以下，所以，淬火后约有20%的残余奥氏体存在。这些残余奥氏体在450℃以上是比较稳定的。
残余奥氏体比较软，所以使模具整体具有较高的韧性。200℃左右的低温回火处理使碳化物从马氏体中析出，淬火马氏体变成回火马氏体，韧性得到提高。低温回火钢的硬度约为60HRC。在模具使用和热处理后的加工(放电加工、表面处理等)中如果没有温度升高，采用低温回火可使模具获得高硬度和高韧性。
尺寸经年变化是冷作模具的重要问题。尺寸经年变化是未分解的不稳定奥氏体随时间的延长发生转变、膨胀引起尺寸变化的现象。一般来说，残余奥氏体每转变1%，模具尺寸会发生0.01～0.015%的伸长。这种尺寸变化即使在室温下，在热处理后的几年内也会缓慢进行。因此这种现象成为要求高尺寸精度的冷作模具的大问题。抑制尺寸经年变化的方法是减少残余奥氏体量或使奥氏体稳定化。
减少残余奥氏体量的一种方法是深冷处理。深冷处理是在淬火时，将工件冷却到室温以下。促进马氏体转变，减少残余奥氏体量的处理方法。深冷处理使用的冷却介质一般是干冰(-78℃)，但也用使用液态氮(-196℃)进行超深冷处理，以获得进一步减少残余奥氏体量的效果。减少残余奥氏体量的另一种方法是提高回火温度，促进残余奥氏体分解。例如，SKD11在550℃以上回火时，残余奥氏体完全分解。但这种方法会使钢发生软化，所以要求硬度时，不能采用高温回火的方法。
奥氏体稳定化方法是，工件回火后，对工件进行400℃左右的热处理，降低淬火回火中未转变的残余奥氏体的应变量，使残余奥氏体稳定化，难于发生尺寸经年变化。
合金含量高的工具钢中的残余奥氏体多，所以回火处理次数很重要。残余奥氏体大时，常常有一次回火不能使残余奥氏体完全分解的情况。此外，在回火冷却过程中一部分残余奥氏体会转变为马氏体，导致韧性不足。为此需要进行二次回火使残余奥氏体和马氏体处于稳定状态。Co含量大于5%的钢种，为使残余奥氏体稳定化，要进行三次回火处理。但在冷作模具用钢进行低温回火时，由于回火温度没有达到残余奥氏体的分解温度，所以不必进行反复回火。
