热冲压模具钢常用的合金元素包括碳C、铬Cr、锰Mn、钨V、钼Mo、钒V、镍Ni、硅si、铌Nb、稀土等，由于合金元素的加入，改变了铁、碳、合金元素三者之间的相互作用，从而对钢的组织转变、力学性能、物理性能及工艺性能等产生了较大的影响。其主要作用分述如下：热冲压模具钢的碳含量一般为O．3％～0．6％，可保证热冲压模具钢有一定的强度、硬度、热疲劳性、足够的塑性及韧性等性能的良好配比。在钢中，碳一部分可溶入基体中引起固溶强化，一部分与合金元素中的碳化物形成元素(Cr、Mo、V、w)形成碳化物，在回火过程中可在马氏体基体上弥散析出从而发生二次硬化，且此碳化物仍有少量残留，因此，均匀分布的残留碳化物和回火马氏体决定热冲压模具钢的性能。由此可见，钢中不能含太低的碳。增加碳含量，可提高热冲压模具钢的高温强度、硬度和耐磨损性，但降低其韧性。因此在钢合金化设计时遵循下述原则：在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量，Woodyatt和Krauss指出在870。C的Fe．Cr-c三元相图上，在奥氏体A和(A+M3C+M7C3)三相区的交界处H13钢较好，此处的含碳量约0．4％。此外，碳可通过淬火时形成的马氏体影响其性能。含较低碳时，易形成亚结构为位错的板条状马氏体；含较高碳时，易形成亚结构为孪晶的片状马氏体。孪晶在一定程度上可提高强度，但韧性降低。具有板条状马氏体的热冲压模具钢有较好的综合性能，从而广泛应用于工程中。
铬既可固溶于基体，可增加淬透性，促进合金化，显著改善钢的耐蚀性能；又可与碳形成铬的碳化物，可以Cr3C、Cr7C3和Cr23C6形式存在，从而影响钢的性能；但铬的碳化物稳定性较差，高温时易分解，使钢的高温性能降低，因此尽量形成钼、钒的碳化物而不形成铬的碳化物有利于提高其性能，只有当0．62<Cr／Cr+Mo+0．7W<0．72时，容易形成钼、钒的碳化物而不形成铬的碳化物。提高铬含量还可提高钢的热强性，例如淬火状态的高碳高铬钢和含5％铬的热冲压模具钢在回火时有二次硬化现象；铬是铁素体形成元素，可推迟马氏体转变从而减少淬火变形，同时可提高奥氏体转变温度从而有利于退火软化。铬具有较强的钝化能力，可在钢的表面形成一层致密、稳定、完整并能与基体牢固结合的Cr203钝化膜，这种钝化膜可提高电极电位，引起钝化效应，阻止电荷移动，从而有效地降低钢的氧化腐蚀的速率。锰有固溶强化作用，可提高强度和硬度且几乎不影响钢的延展性，但其固溶强化效果不如碳、磷和硅。Mn是奥氏体形成元素，可降低钢的淬火温度，并减少淬火变形，但是可提高残余奥氏体量、降低淬火硬度。Mn可以改变钢在凝固过程中所形成的氧化物的性质和形状，同时与S的亲合力较大，可避免低熔点的硫化物在晶界上形成，而是形成具有一定塑性的MnS，从而消除硫的有害作用，提高钢的热加工性[311。锰是弱碳化物形成元素的一种，可溶入渗碳体中形成合金渗碳体Mn3C，使系统更稳定。
锰溶入奥氏体中可增加钢的淬透性，降低钢的马氏体转变点。二次硬化型模具钢含Mn量约为0．20％～0．60％，改进型热冲压模具钢(如QR090 super、HOTVAR等)含Mn约为O．75％，处于较高的水平，而低Si高Mo型热冲压模具钢含Mn约为0．40％～0．55％(如Dievar钢)。钼可推迟高温区的相变，阻碍先共析铁素体的形成，扩大奥氏体区，同时可细化晶粒，主要用于提高钢的淬透性、抗回火脆性和抗回火软化性。在钢中，一部分钼固溶于基体，另一部分可形成钼的碳化物。钼含量较低时，与Fe形成合金渗碳体，钼含量较高时，形成钼的特殊碳化物。一般认为，含Mo的钢在500。C时，基体上直接析出与基体保持良好的共格关系的碳化钼，呈细丝状，可产生明显的二次硬化现象，且碳化钼具有较低的过时效速度从而不易聚集长大。钼可提高钢的脱碳氧化敏感性，使钢发生脱碳敏感的钼临界加入量为3％。硅可固溶于基体，对冷加工变形硬化率的作用极强，提高钢的强度、硬度、回火稳定性及抗氧化性。
硅可对铁素体起置换固溶强化，其效果仅次于磷，但同时在一定程度上可降低钢的韧度和塑性。Si可使碳在铁素体中的扩散速度降低，使回火时析出的碳化物不易聚集，从而提高回火稳定性；Si可固溶于￡碳化物，提高其稳定性，延迟￡碳化物转变为e碳化物，从而提高第一类回火脆性温度，使E碳化物均匀分布并与基体保持共格关系，从而使回火马氏体具有良好的强韧性，1％Si可使回火温度提高30。C-50。C。但是，si易使钢形成带状组织，提高钢的脆性转折温度；si可提高钢的脱碳敏感性。美国H型热冲压模具钢中H21—26、H41．43以及H19的含Si量最大为0．40％。钒与c、N的亲和力强，形成间隙相化合物，具有FCC点阵结构，对钢的晶粒细化和沉淀强化均有贡献。相对于钼，V具有更显著的二次硬化作用，且二次硬化峰移向更高的温度。弥散的V4c3可由基体析出，并与基体保持良好共格关系，V4C3不易长大且对位错起钉扎作用进而影响板条马氏体的回复和再结晶。一般认为，加入0．05％V可起细化晶粒的作用，提高V的加入量可使细化效果增强。当温度达到700。C，V的碳化物仍保持较高的稳定性，且晶粒细小，因此V可阻止奥氏体晶粒发生粗化，且是高温条件下服役的重要元素。但溶入基体的V可降低原子结合力和结晶温度，因此V的含量并非越高越好，一般控制WC原子比为3～4。为了使模具具有较高的高温强度，WMo原子比为0．33-0．4。提高模具的强度、淬透性和抗氧化性需要提高合金元素含量，但是提高合金元素含量可降低钢的导热系数，这将导致模具表面的温度升高。因此，在研究新型热冲压模具钢时须在尽可能不降低导热系数的前提下提高强度、淬透性和抗氧化性等性能。合金化优化热冲压模具钢H13的化学元素配比，主要采用以下方式： (1)优化合金元素配比，c、Cr、Mo、V的合理配比在于既要保证析出细小、稳定、弥散分布的碳化物，又要保证基体的固溶强化，从而保证合金元素的合理分布。从提高回火抗力、组织稳定性和热强性等性能出发，主要趋势是降低Cr和si的含量[281，并提高Mo的含量；(2)加入Nb微合金化的方法，Nb的适量加入(0．07％)可以起到细化晶粒，提高热稳定性、热疲劳性能的作用。以此为依据，设计使用的热冲压模具钢的化学成分。
