渗碳钢通常为碳的质量分数0.17%~0.24%的低碳钢，个别的碳的质量分数低于0.12%或高达0.28%。较低的碳含量能保证模具的心部有良好的韧性。碳含量越高，心部强度越高，整个渗碳模具的强度也有所提高，但是增加了模具的脆性，因此，当渗钢碳含量增高时，要适当降低渗碳层的深度。
为了改善性能,常在渗碳钢中加入合金元素铬、锰、镍、硼、钼、钒和钛等，其中铬、锰、镍、硼、钼的作用是增加钢的淬透性，以保证渗碳淬火后表面和心部都得到马氏体，从而有良好的综合力学性能。同时各种元素还有其他作用，如含铬、钼等形成碳化物元素时，将促使表面层碳含量增加，容易在渗透碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，用含铬和钼的渗碳钢时，渗碳气氛宜弱。钢中含镍时，渗碳后各种力学性能较优，但工艺性能变差，锻坯以复杂的热处理后才能切削加工，而且价格较贵，只有载荷很大的渗碳模具件才适用。微量的硼可以显著地增加钢材的淬透性，但使用渗碳硼钢时要注意其热处理后的变形特点，掌握其变形规律。在渗碳钢中加入钒、钛、铌和锆等元素能形成稳定的合金碳化物，在渗碳加热时防止奥氏体晶粒长大，渗碳淬火后得到马氏体，改善渗碳层和心部的性能。
碳氮共渗采用的钢种与渗碳钢类似，但因渗层深度不同，要求模具心部的硬度也不同，碳氮共渗时所产生的渗层表面的异常组织较渗碳层严得多。异常组织出现，降低接触疲劳性能，这与钢中的合金元素的种类及其含量有关，故选用时，需充分注意钢的成分。
