5.16 3Cr2W8V鋼

1.性能特點

3Cr2W8V（H21）鋼于20世紀20年代在工業上應用，至今已有近百年歷史，盡管新的熱作模具鋼不斷涌現，但始終未動搖其霸主地位。它是我國熱作模具傳統用鋼，用途極為廣泛，了解其性能特點，深入研究3Cr2W8V鋼熱處理工藝，很有現實意義和經濟價值。

3Cr2W8V鋼含有較多的碳化物形成元素，因此在較高的溫度下仍有較高的硬度和強度，在650℃時硬度約為300HBW，但其韌性和塑性較差。截面尺寸在80mm以下時完全可以淬透，這對表面需要高硬度、高耐磨性的大型頂鍛模、熱壓模、平鍛機模已經足夠了。這種鋼相變溫度較高，抵抗冷熱交變的疲勞性能良好。

該鋼在1140～1160℃高溫加熱以后，有P、S、As、Sb等雜質元素在晶界偏聚，使沖擊韌度a_K值及斷裂韌度K_1C值下降，使模具易出現早期脆性斷裂，故只有在400℃以下多次回火，或在680℃以上回火，才可以避免。

該鋼在高溫回火以后，增加回火次數和保溫時間，或在500～600℃長時間化學熱處理，都會使晶界雜質元素偏聚加劇。有些單位針對具體工作狀況的模具采用低溫淬火，模具不會脆裂，壽命較高。

3Cr2W8V鋼模具在使用前必須進行充分的預熱，并應避免噴水冷卻，以油冷、水霧冷卻和水內冷為主，否則采用噴水強制冷卻，易出現早期疲勞裂開。高溫回火規范適用于小型熱鍛模塊鍛坯（厚度<300mm）以及舊模翻新前的軟化處理。

2.化學成分、臨界點及對應牌號

3Cr2W8V鋼及部分對應牌號的化學成分見表5-87。

表5-87 3Cr2W8V鋼及部分對應牌號的主要化學成分（質量分數，%）

3Cr2W8V鋼臨界點及對應牌號見表5-88。

表5-88 3Cr2W8V鋼臨界點及對應牌號

成分決定組織，組織決定性能。不少人往往只注重牌號，忽略了牌號雖然相同但成分差異大的事實。總以為只要牌號相同熱處理工藝也相同，殊不知微量成分的變化（特別是碳），將影響到組織和性能的懸殊。

從上表不難看出，俄羅斯國家標準最經濟合理；國際標準和歐洲標準成分完全一致；德國標準碳成分控制最嚴，允差只有0.05%；中國標準碳含量最高。近10年來，從失效模具分析得知，凡因疲勞開裂早期報廢之模具，碳含量大多>0.35%，這不能不引起我們的深思。

國際標準、歐洲標準及工業發達國家的成功經驗，我們應該認真汲取。3Cr2W8V鋼又稱半高速鋼，它也應該遵循定比碳法則，通過理論計算，其碳含量應該落在0.25%～0.35%范圍內，正好和國際標準相吻合。

3.熱處理工藝

（見表5-89）

表5-89 3Cr2W8V鋼熱處理工藝

關于淬火后不回火，20世紀末國內有人認為，3Cr2W8V鋼熱作模具淬火后在550～650℃脆性區間內回火，回火越充分韌性越低，模具服役初期往往會出現早期開裂。3Cr2W8V鋼在淬火態或在低于400℃以下回火的沖擊韌度都高于500～650℃回火后的值。試驗表明，在450～650℃回火時，沖擊韌度出現谷值，且隨著回火溫度的升高，逐漸走向谷底。未回火的3Cr2W8V鋼模具雖有較高的沖擊韌度，但其抗磨損性和抗熱疲勞性能不如回火者。3Cr2W8V鋼淬火及回火后，有磷、砷等雜質元素向晶界偏聚，出現程度不同的晶界黑色網絡，使a_K、K_1c值下降，模具出現早期開裂。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a_K、K_1c值大幅度提高，可避免早期脆性開裂，使模具壽命明顯提高。

4.力學性能

3Cr2W8V鋼硬度和回火溫度的關系見表5-90、圖5-52。

表5-90 3Cr2W8V鋼硬度（HRC）與回火溫度的關系

3Cr2W8V鋼不同溫度淬火和不同溫度回火后的力學性能見圖5-53，不同碳含量的3Cr2W8V鋼力學性能與回火溫度的關系見圖5-54，3Cr2W8V鋼沖擊韌度與回火溫度的關系見圖5-55，3Cr2W8V鋼高溫力學性能見圖5-56，高溫沖擊韌度見圖5-57。

圖5-52 3Cr2W8V鋼硬度與回火溫度的關系

注：1.試驗用鋼成分（質量分數，%）：0.30C、

2.30Cr、9.0W、0.40V。

2.曲線上的數字為淬火溫度，油冷。

圖5-53 3Cr2W8V鋼不同淬火溫度和 不同溫度回火后的力學性能

5.應用

1）用于鍛造坯料尺寸（φ51mm+φ100mm）×200mm臺階式Cr18Ni10鋼，該平鍛凹模壽命超過1000次。

2）用于制造熱擠壓凹模，當硬度為45～50HRC時，易出現早期斷裂，壽命不高，而把硬度降至38～40HRC時，不易斷裂，平均壽命明顯提高。

圖5-54 不同碳含量的3Cr2W8V鋼力學性能與回火溫度的關系

注：淬火溫度為1100℃。

圖5-55 3Cr2W8V鋼沖擊韌度與回火溫度的關系

圖5-56 3Cr2W8V鋼高溫力學性能

注：1.1100℃淬火，600℃回火。

2.—w（C）0.35% ┈w（C）0.25%

3）廣泛用于在600～650℃溫度區間服役的壓鑄模凸模、凹模或鑲件，常用硬度為48～52HRC

4）采用3Cr2W8V鋼在鍛造熱強鋼鍛件時，可代替5CrMnMo、5CrNiMo鋼，使模具的壽命由不足200件上升到1000件左右。

5）用3Cr2W8V鋼制造軸承套圈毛坯（φ31～φ33mm）熱鐓沖頭，80～100次/min高速鐓鍛機，工作期間對沖頭進行噴水冷卻，沖頭硬度為50HRC，壽命達1.5萬次。

6）高溫淬火實例：

①某光學儀器廠生產的望遠鏡外殼，采用1180℃淬火，600℃回火新工藝，模具的壽命超過10萬次件。

②3Cr2W8V鋼制M16螺母熱沖壓模，采用1150℃高溫淬火，660～680℃回火，模具壽命由5000～6000件提高到1.4萬件。

圖5-57 3Cr2W8V鋼高溫沖擊韌度

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挖掘機40Cr銷軸熱鍛模，1150℃淬火，660～680℃回火，鍛模的使用壽命由500～1000件提高0.7萬～1.2萬件。

④水泵鉗熱鍛模1150℃淬火，590℃+610℃+210℃三次回火，模具壽命由2000件提高到5000件，最高達7727件。

⑤1600kN摩擦壓力機熱鍛模，1150℃淬火，660～680℃×2h×3次回火，模具壽命較常規熱處理提高2倍。

⑥熱穿孔沖模采用1270～1280℃短時超高溫加熱，可使碳化物大量地溶入奧氏體中，使脆性夾雜物高度彌散分布于晶界內，凈化晶界，從而大大提高了熱硬性，減少了應力集中傾向，使模具獲得均勻的組織和性能，模具壽命達2000次以上。

⑦鋼絲鉗精鑄模1150℃淬火，模具壽命穩定在1.5萬件以上，較常規處理提高6倍。

⑧外形尺寸為300mm×100mm×100mm壓形模，采用1250℃淬火，400℃回火，基本消除了早期斷裂現象，模具壽命提高1倍多。

⑧汽車鋼板彈簧熱卷耳模具，采用1250℃淬火，深冷處理后再400℃回火，模具壽命由原2000件提高到2900件。

⑩拖拉機叉速器半軸齒輪鍛模，1180～1200℃淬火，580℃+560℃兩次回火，硬度為50～51HRC，模具壽命較常規處理提高6倍。

還有很多超常規的高溫淬火實例，但不是所有的3Cr2W8V鋼模具都可以實施此工藝，一定要對癥下藥，不能弄巧成拙。

7）低溫淬火實例：

①汽車半軸采用的擺輾機輾壓成形模，采用920℃超低溫淬火，600℃回火，硬度為44～46HRC，模具壽命由原常規處理的1200件提高到4000多件（擺輾五十鈴半軸）。

②鋁合金壓鑄機噴嘴頭采用900～920℃超低淬火+液體碳氮共滲復合處理，噴嘴頭的使用壽命提高2～3倍。

低溫淬火有一定的局限性，沒有普遍性，不少人提出質疑，但實踐是檢驗真理的唯一標準，只要解決生產實際的難題，為企業創造效益，你就是成功者。

8）等溫淬火實例：

①外形尺寸為105mm×75mm×75mm的尖嘴鉗熱鍛模，鹽浴加熱，600℃、850℃兩次預熱，1050～1060℃加熱后出爐，預冷到950℃左右，淬入280℃硝鹽中5min，立即入380℃硝鹽中等溫3～4h，360℃×4h×2次硝鹽回火。

②外形尺寸為290mm×95mm×95mm汽車曲柄熱鍛成形模，采用1100℃加熱，350℃×5h等溫淬火，610℃×2.5h+560℃×5h回火，模具平均壽命為0.9萬件，最高3.8萬件。

等溫淬火在3Cr2W8V鋼模具的應用中并不普遍，主要受到熱處理設備的制約，只要解決硝鹽等溫槽問題，此工藝還是優越的。

9）淬火后不回火實例：用φ160mm3Cr2W8V鋼鍛成110mm×110mm×160mm的大力鉗模具，1150℃加熱后，風吹冷卻，不回火，硬度為44～45HRC，模具的平均壽命超過1萬件，較常規處理提高好幾倍。

3Cr2W8V鋼中小型模具淬火后不回火，不單純是提高模具壽命的措施，而且符合節能減排綠色熱處理大方向。

10）化學熱處理實例：

①3Cr2W8V鋼熱模滲碳。水泵扳手凹模930℃×5h氣體滲碳，罐冷，1080℃油淬，硬度為58～59HRC，620℃×2h×2次+590℃×2h共3次回火，硬度為49～52HRC，使用壽命由原4000件左右提高到7500～8930件。

3Cr2W8V鋼熱擠壓模采用1150℃×2～2.5h高溫滲碳后直接油淬，560～580℃×2h×2次回火后，表面硬度為60～61.5HRC，基體硬度為52～53HRC。模具壽命比未滲碳常規處理提高3～4倍。

②3Cr2W8V鋼模具滲氮。鋁合金壓鑄模淬火及回火再經550℃×6～8h離子滲氮，可獲得15μm厚的化合層，表面硬度為1000HV。模具壽命由原20天提高到3個月以上。

熱擠壓型腔模淬火及回火后經580℃×4.5h滲氮處理，表面硬度為1060HV，擴散層深度為0.20mm，模具壽命提高到兩萬多件。

壓鑄模經550～570℃×3～3.5h固體碳氮共滲處理，解決了粘模難題。

③滲硼處理在3Cr2W8V鋼上應用較多，195型柴油機飛輪螺母熱擠壓上模經860℃×4h固體滲硼處理，模具壽命提高4倍。

3Cr2W8V鋼制4000kN水壓機熱沖頭，經930℃×6～8h膏劑滲硼處理，模具壽命提高近兩倍；外形尺寸φ110mm×406mm熱沖頭，經1050℃×4h固體滲硼后直接油淬，560℃×3h+540℃×3h兩次回火，表面硬度為1129～1429HV，心部硬度為44～46HRC，模具壽命提高4倍。

3Cr2W8V鋼制黃銅坯料熱擠壓模850℃×6h固體滲硼后直接油淬，650℃×2h×2次回火，表面硬度為1400～1700HV，模具壽命超過1萬件；鋁型材擠壓模、氣門模具等3Cr2W8V鋼熱模經鹽浴滲硼處理后，壽命都有很大提高。

④氧氮化：3Cr2W8V鋼制電風扇支架及底座鋁合金壓鑄模，經560℃×3h的氧氮化處理，表面硬度為1020HV，化合層厚度為12.3μm，模具壽命提高到8萬次。

⑤碳氮共滲：鋅合金壓鑄機噴頭、照相機身壓鑄模、手推車條帽冷鐓凹模經碳氮共滲處理后，模具壽命分別提高2～3倍。

⑥滲鋁：模具滲鋁能提高抗高溫氧化與耐燃燒腐蝕的性能，滲鋁層在大氣、硫化氫、二氧化硫、堿和鹽水等介質中有較好的耐蝕性。3Cr2W8V鋼制肋骨剪壓鑄模用950℃×15h固體滲鋁，滲鋁層總厚度為0.3mm，表面硬度為386～405HV。模具壽命提高2倍多。

⑦滲鈮：吊環熱鍛模采用960℃×6h鹽浴滲鈮，滲鈮后直接油淬2min+400℃×1h等溫，500℃×4h×2次回火，模具表面硬度高達3000HV，可以刻劃玻璃。模具壽命達1.3萬件，比常規處理提高2倍多。

⑧滲鉻：無縫鋼管穿孔頂頭，采用滲鉻處理，具體工藝如下：先在表面鍍0.02～0.03mm硬鉻；960～970℃×3h氣體滲鉻；滲鉻后風冷，200℃×2h回火，表面硬度為61～62HRC。經滲鉻處理的頂頭模，能穿長度65～70m普通鋼管100根以上，較常規處理提高1～2倍。

⑨3Cr2W8V鋼模具其他表面強化工藝：除以上所舉表面強化工藝方法外，還有A1_- B共滲、粉末Ti-Cr共滲、鍍Ni滲B、S-N共滲、S-N-C共滲、C-N-B三元共滲、Cr-V復合鍍滲、Mn-碳氮復合滲、B-RE共滲、Cr-A1-Si三元共滲、NQN復合強化、QPQ表面強化、離子注入鉭、碳、TiN、TiA1N涂層等。