5.16 3Cr2W8V钢
1.性能特点
3Cr2W8V（H21）钢于20世纪20年代在工业上应用，至今已有近百年历史，尽管新的热作模具钢不断涌现，但始终未动摇其霸主地位。它是我国热作模具传统用钢，用途极为广泛，了解其性能特点，深入研究3Cr2W8V钢热处理工艺，很有现实意义和经济价值。
3Cr2W8V钢含有较多的碳化物形成元素，因此在较高的温度下仍有较高的硬度和强度，在650℃时硬度约为300HBW，但其韧性和塑性较差。截面尺寸在80mm以下时完全可以淬透，这对表面需要高硬度、高耐磨性的大型顶锻模、热压模、平锻机模已经足够了。这种钢相变温度较高，抵抗冷热交变的疲劳性能良好。
该钢在1140～1160℃高温加热以后，有P、S、As、Sb等杂质元素在晶界偏聚，使冲击韧度aK值及断裂韧度K1C值下降，使模具易出现早期脆性断裂，故只有在400℃以下多次回火，或在680℃以上回火，才可以避免。
该钢在高温回火以后，增加回火次数和保温时间，或在500～600℃长时间化学热处理，都会使晶界杂质元素偏聚加剧。有些单位针对具体工作状况的模具采用低温淬火，模具不会脆裂，寿命较高。
3Cr2W8V钢模具在使用前必须进行充分的预热，并应避免喷水冷却，以油冷、水雾冷却和水内冷为主，否则采用喷水强制冷却，易出现早期疲劳裂开。高温回火规范适用于小型热锻模块锻坯（厚度<300mm）以及旧模翻新前的软化处理。
2.化学成分、临界点及对应牌号
3Cr2W8V钢及部分对应牌号的化学成分见表5-87。
表5-87 3Cr2W8V钢及部分对应牌号的主要化学成分（质量分数，%）
3Cr2W8V钢临界点及对应牌号见表5-88。
表5-88 3Cr2W8V钢临界点及对应牌号
成分决定组织，组织决定性能。不少人往往只注重牌号，忽略了牌号虽然相同但成分差异大的事实。总以为只要牌号相同热处理工艺也相同，殊不知微量成分的变化（特别是碳），将影响到组织和性能的悬殊。
从上表不难看出，俄罗斯国家标准最经济合理；国际标准和欧洲标准成分完全一致；德国标准碳成分控制最严，允差只有0.05%；中国标准碳含量最高。近10年来，从失效模具分析得知，凡因疲劳开裂早期报废之模具，碳含量大多>0.35%，这不能不引起我们的深思。
国际标准、欧洲标准及工业发达国家的成功经验，我们应该认真汲取。3Cr2W8V钢又称半高速钢，它也应该遵循定比碳法则，通过理论计算，其碳含量应该落在0.25%～0.35%范围内，正好和国际标准相吻合。
3.热处理工艺
（见表5-89）
表5-89 3Cr2W8V钢热处理工艺
关于淬火后不回火，20世纪末国内有人认为，3Cr2W8V钢热作模具淬火后在550～650℃脆性区间内回火，回火越充分韧性越低，模具服役初期往往会出现早期开裂。3Cr2W8V钢在淬火态或在低于400℃以下回火的冲击韧度都高于500～650℃回火后的值。试验表明，在450～650℃回火时，冲击韧度出现谷值，且随着回火温度的升高，逐渐走向谷底。未回火的3Cr2W8V钢模具虽有较高的冲击韧度，但其抗磨损性和抗热疲劳性能不如回火者。3Cr2W8V钢淬火及回火后，有磷、砷等杂质元素向晶界偏聚，出现程度不同的晶界黑色网络，使aK、K1c值下降，模具出现早期开裂。中小型模具淬火以后不回火、大型模具采取400℃以下回火，都能使aK、K1c值大幅度提高，可避免早期脆性开裂，使模具寿命明显提高。
4.力学性能
3Cr2W8V钢硬度和回火温度的关系见表5-90、图5-52。
表5-90 3Cr2W8V钢硬度（HRC）与回火温度的关系
3Cr2W8V钢不同温度淬火和不同温度回火后的力学性能见图5-53，不同碳含量的3Cr2W8V钢力学性能与回火温度的关系见图5-54，3Cr2W8V钢冲击韧度与回火温度的关系见图5-55，3Cr2W8V钢高温力学性能见图5-56，高温冲击韧度见图5-57。
图5-52 3Cr2W8V钢硬度与回火温度的关系
注：1.试验用钢成分（质量分数，%）：0.30C、
2.30Cr、9.0W、0.40V。
2.曲线上的数字为淬火温度，油冷。
图5-53 3Cr2W8V钢不同淬火温度和 不同温度回火后的力学性能
5.应用
1）用于锻造坯料尺寸（φ51mm+φ100mm）×200mm台阶式Cr18Ni10钢，该平锻凹模寿命超过1000次。
2）用于制造热挤压凹模，当硬度为45～50HRC时，易出现早期断裂，寿命不高，而把硬度降至38～40HRC时，不易断裂，平均寿命明显提高。
图5-54 不同碳含量的3Cr2W8V钢力学性能与回火温度的关系
注：淬火温度为1100℃。
图5-55 3Cr2W8V钢冲击韧度与回火温度的关系
图5-56 3Cr2W8V钢高温力学性能
注：1.1100℃淬火，600℃回火。
2.—w（C）0.35% ┈w（C）0.25%
3）广泛用于在600～650℃温度区间服役的压铸模凸模、凹模或镶件，常用硬度为48～52HRC
4）采用3Cr2W8V钢在锻造热强钢锻件时，可代替5CrMnMo、5CrNiMo钢，使模具的寿命由不足200件上升到1000件左右。
5）用3Cr2W8V钢制造轴承套圈毛坯（φ31～φ33mm）热镦冲头，80～100次/min高速镦锻机，工作期间对冲头进行喷水冷却，冲头硬度为50HRC，寿命达1.5万次。
6）高温淬火实例：
①某光学仪器厂生产的望远镜外壳，采用1180℃淬火，600℃回火新工艺，模具的寿命超过10万次件。
②3Cr2W8V钢制M16螺母热冲压模，采用1150℃高温淬火，660～680℃回火，模具寿命由5000～6000件提高到1.4万件。
图5-57 3Cr2W8V钢高温冲击韧度
1—1100℃淬火，550℃回火
2—1100℃淬火，620℃回火
3—1150℃淬火，550℃回火
4—1150℃淬火，620℃淬火
③挖掘机40Cr销轴热锻模，1150℃淬火，660～680℃回火，锻模的使用寿命由500～1000件提高0.7万～1.2万件。
④水泵钳热锻模1150℃淬火，590℃+610℃+210℃三次回火，模具寿命由2000件提高到5000件，最高达7727件。
⑤1600kN摩擦压力机热锻模，1150℃淬火，660～680℃×2h×3次回火，模具寿命较常规热处理提高2倍。
⑥热穿孔冲模采用1270～1280℃短时超高温加热，可使碳化物大量地溶入奥氏体中，使脆性夹杂物高度弥散分布于晶界内，净化晶界，从而大大提高了热硬性，减少了应力集中倾向，使模具获得均匀的组织和性能，模具寿命达2000次以上。
⑦钢丝钳精铸模1150℃淬火，模具寿命稳定在1.5万件以上，较常规处理提高6倍。
⑧外形尺寸为300mm×100mm×100mm压形模，采用1250℃淬火，400℃回火，基本消除了早期断裂现象，模具寿命提高1倍多。
⑧汽车钢板弹簧热卷耳模具，采用1250℃淬火，深冷处理后再400℃回火，模具寿命由原2000件提高到2900件。
⑩拖拉机叉速器半轴齿轮锻模，1180～1200℃淬火，580℃+560℃两次回火，硬度为50～51HRC，模具寿命较常规处理提高6倍。
还有很多超常规的高温淬火实例，但不是所有的3Cr2W8V钢模具都可以实施此工艺，一定要对症下药，不能弄巧成拙。
7）低温淬火实例：
①汽车半轴采用的摆辗机辗压成形模，采用920℃超低温淬火，600℃回火，硬度为44～46HRC，模具寿命由原常规处理的1200件提高到4000多件（摆辗五十铃半轴）。
②铝合金压铸机喷嘴头采用900～920℃超低淬火+液体碳氮共渗复合处理，喷嘴头的使用寿命提高2～3倍。
低温淬火有一定的局限性，没有普遍性，不少人提出质疑，但实践是检验真理的唯一标准，只要解决生产实际的难题，为企业创造效益，你就是成功者。
8）等温淬火实例：
①外形尺寸为105mm×75mm×75mm的尖嘴钳热锻模，盐浴加热，600℃、850℃两次预热，1050～1060℃加热后出炉，预冷到950℃左右，淬入280℃硝盐中5min，立即入380℃硝盐中等温3～4h，360℃×4h×2次硝盐回火。
②外形尺寸为290mm×95mm×95mm汽车曲柄热锻成形模，采用1100℃加热，350℃×5h等温淬火，610℃×2.5h+560℃×5h回火，模具平均寿命为0.9万件，最高3.8万件。
等温淬火在3Cr2W8V钢模具的应用中并不普遍，主要受到热处理设备的制约，只要解决硝盐等温槽问题，此工艺还是优越的。
9）淬火后不回火实例：用φ160mm3Cr2W8V钢锻成110mm×110mm×160mm的大力钳模具，1150℃加热后，风吹冷却，不回火，硬度为44～45HRC，模具的平均寿命超过1万件，较常规处理提高好几倍。
3Cr2W8V钢中小型模具淬火后不回火，不单纯是提高模具寿命的措施，而且符合节能减排绿色热处理大方向。
10）化学热处理实例：
①3Cr2W8V钢热模渗碳。水泵扳手凹模930℃×5h气体渗碳，罐冷，1080℃油淬，硬度为58～59HRC，620℃×2h×2次+590℃×2h共3次回火，硬度为49～52HRC，使用寿命由原4000件左右提高到7500～8930件。
3Cr2W8V钢热挤压模采用1150℃×2～2.5h高温渗碳后直接油淬，560～580℃×2h×2次回火后，表面硬度为60～61.5HRC，基体硬度为52～53HRC。模具寿命比未渗碳常规处理提高3～4倍。
②3Cr2W8V钢模具渗氮。铝合金压铸模淬火及回火再经550℃×6～8h离子渗氮，可获得15μm厚的化合层，表面硬度为1000HV。模具寿命由原20天提高到3个月以上。
热挤压型腔模淬火及回火后经580℃×4.5h渗氮处理，表面硬度为1060HV，扩散层深度为0.20mm，模具寿命提高到两万多件。
压铸模经550～570℃×3～3.5h固体碳氮共渗处理，解决了粘模难题。
③渗硼处理在3Cr2W8V钢上应用较多，195型柴油机飞轮螺母热挤压上模经860℃×4h固体渗硼处理，模具寿命提高4倍。
3Cr2W8V钢制4000kN水压机热冲头，经930℃×6～8h膏剂渗硼处理，模具寿命提高近两倍；外形尺寸φ110mm×406mm热冲头，经1050℃×4h固体渗硼后直接油淬，560℃×3h+540℃×3h两次回火，表面硬度为1129～1429HV，心部硬度为44～46HRC，模具寿命提高4倍。
3Cr2W8V钢制黄铜坯料热挤压模850℃×6h固体渗硼后直接油淬，650℃×2h×2次回火，表面硬度为1400～1700HV，模具寿命超过1万件；铝型材挤压模、气门模具等3Cr2W8V钢热模经盐浴渗硼处理后，寿命都有很大提高。
④氧氮化：3Cr2W8V钢制电风扇支架及底座铝合金压铸模，经560℃×3h的氧氮化处理，表面硬度为1020HV，化合层厚度为12.3μm，模具寿命提高到8万次。
⑤碳氮共渗：锌合金压铸机喷头、照相机身压铸模、手推车条帽冷镦凹模经碳氮共渗处理后，模具寿命分别提高2～3倍。
⑥渗铝：模具渗铝能提高抗高温氧化与耐燃烧腐蚀的性能，渗铝层在大气、硫化氢、二氧化硫、碱和盐水等介质中有较好的耐蚀性。3Cr2W8V钢制肋骨剪压铸模用950℃×15h固体渗铝，渗铝层总厚度为0.3mm，表面硬度为386～405HV。模具寿命提高2倍多。
⑦渗铌：吊环热锻模采用960℃×6h盐浴渗铌，渗铌后直接油淬2min+400℃×1h等温，500℃×4h×2次回火，模具表面硬度高达3000HV，可以刻划玻璃。模具寿命达1.3万件，比常规处理提高2倍多。
⑧渗铬：无缝钢管穿孔顶头，采用渗铬处理，具体工艺如下：先在表面镀0.02～0.03mm硬铬；960～970℃×3h气体渗铬；渗铬后风冷，200℃×2h回火，表面硬度为61～62HRC。经渗铬处理的顶头模，能穿长度65～70m普通钢管100根以上，较常规处理提高1～2倍。
⑨3Cr2W8V钢模具其他表面强化工艺：除以上所举表面强化工艺方法外，还有A1- B共渗、粉末Ti-Cr共渗、镀Ni渗B、S-N共渗、S-N-C共渗、C-N-B三元共渗、Cr-V复合镀渗、Mn-碳氮复合渗、B-RE共渗、Cr-A1-Si三元共渗、NQN复合强化、QPQ表面强化、离子注入钽、碳、TiN、TiA1N涂层等。