3Cr2W8V to gatunek zgodny z chińską normą GB/T, a jego odpowiednikiem jest gatunek ASTM/AISI H21 w Stanach Zjednoczonych. 3Cr2W8V to stal narzędziowa o wysokiej wytrzymałości termicznej do pracy na gorąco, powszechnie stosowana do produkcji matryc pracujących w wysokich temperaturach i przy wysokich naprężeniach. Jest to stal ledeburytyczna, co oznacza, że ma mikrostrukturę z dużymi węglikami pierwotnymi, co przyczynia się do jej wysokiej odporności na zużycie w podwyższonych temperaturach.

1. Skład chemiczny

C	Si	Mn	Kr	W	V	P	S
0.30 – 0.40%	≤0,40%	≤0,40%	2.20 – 2.70%	7.50 – 9.00%	0.20 – 0.50%	≤0,030%	≤0,030%

2. Właściwości fizyczne ze stali 3Cr2W8V

2.1 Punkty krytyczne stali 3Cr2W8V

Punkt krytyczny	Ac₁	Ac₃	Ar₁	Ar₃	SM	Mf
Temperatura/°C	850	930	773	835	350	160

2.2 Współczynnik rozszerzalności liniowej

Temperatura/°C	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Współczynnik rozszerzalności liniowej α/ × 10⁻⁶ °C⁻¹	12.0	12.3	12.7	13.1	13.5	13.9	14.5	14.5	12.8	13.3

2.3 Ciepło właściwe

Temperatura/°C	100	200	300	500	800	900
Ciepło właściwe cₚ/ [J/(kg·K)]	468.2	473	478	685.5	1262.4	660.4

2.4 Przewodność cieplna

Temperatura/°C	100	200	700	900
Przewodność cieplna λ/[W/(m·K)]	20.1	22.2	24.3	23.0

2.5 Rezystywność elektryczna

Temperatura/°C	20	200	500	700	900
Rezystywność elektryczna ρ/ × 10⁻⁶ Ω·m	0.50	0.60	0.80	1.0	1.19

2.6 Inne właściwości fizyczne

Gęstość/(g/cm³)	Moduł sprężystości E/MPa	Moduł ścinania G/MPa
7.74	214 000	73 000

3. Specyfikacja procesu kucia na gorąco dla stali 3Cr2W8V

Przedmiot	Temperatura ogrzewania/°C	Początkowa temperatura kucia/°C	Temperatura końcowego kucia/°C	Metoda chłodzenia ①
Sztabka stali	1150 ~ 1200	1100 ~ 1150	850 ~ 900	Najpierw chłodzenie powietrzem, następnie chłodzenie w dołku lub w piasku
Kęsy stalowe	1130 ~ 1160	1080 ~ 1120	850 ~ 900	Najpierw chłodzenie powietrzem, następnie chłodzenie w dołku lub w piasku

① Po kuciu należy go stosunkowo szybko schłodzić w powietrzu do temperatury poniżej Ac₁ (około 700°C), a następnie powoli schłodzić (w wgłębieniu, w piasku lub w piecu) lub przeprowadzić wyżarzanie w wysokiej temperaturze. Jeśli warunki na to pozwalają, można przeprowadzić bezpośrednie wyżarzanie w rozgrzanym do czerwoności materiale.

4. Obróbka cieplna stali 3Cr2W8V

4.1 Podgrzewanie wstępne

① Wstępna specyfikacja procesu obróbki cieplnej

Wstępny plan obróbki cieplnej	Parametry procesu
Wyżarzanie po kuciu	Temperatura nagrzewania 800–820°C, utrzymywanie przez 2–4 godziny, chłodzenie w piecu z prędkością <30–40°C/h do temperatury poniżej 600°C, a następnie chłodzenie na powietrzu. Twardość po wyżarzaniu wynosi 207–255 HBW, mikrostruktura perlitu i węglika spiekanego.
Wyżarzanie izotermiczne	Temperatura nagrzewania 800–820°C, utrzymywanie przez 2–4 godziny, chłodzenie w piecu z prędkością <30–40°C/h do temperatury poniżej 600°C, a następnie chłodzenie na powietrzu. Twardość po wyżarzaniu wynosi 207–255 HBW, mikrostruktura perlitu i węglika spiekanego.

② Twardość i mikrostruktura po wyżarzaniu

Twardość HBW	Mikrostruktura
	Niewyżarzane	Po wyżarzeniu
207 ~ 255	Troostyt + Martenzyt	Perlit + węglik

4.2 Hartowanie

① Zalecany proces hartowania

Temperatura hartowania/°C	Środek chłodzący do hartowania	Temperatura czynnika chłodzącego hartującego/°C	Temperatura utrzymywania izotermicznego/°C	Ostateczne schładzanie do 20°C	Twardość HRC
1050 ~ 1100	Olej	20 ~ 40	150 ~ 180	Chłodzenie powietrzem	49 ~ 52

Uwagi:

1. W przypadku dużych matryc należy użyć górnej granicy temperatury grzania. W przypadku małych matryc należy użyć dolnej granicy.
2. Duże matryce należy podgrzewać do temperatury 600–650°C przez 1–2 godziny przed ponownym nagrzewaniem.
3. W przypadku ogrzewania w piecu płomieniowym, należy utrzymywać temperaturę przez 40–50 minut na każde 25 mm grubości matrycy. W przypadku ogrzewania w piecu elektrycznym, należy wydłużyć czas nagrzewania o 40% w stosunku do czasu wymaganego do nagrzania w piecu płomieniowym.

② Typowe procesy hartowania stali 3Cr2W8V

Plan gaszenia	Parametry procesu
Hartowanie izotermiczne ¹	Temperatura nagrzewania wynosi 1150°C, a następnie po wygrzaniu w temperaturze 350–450°C następuje chłodzenie olejowe. Mikrostruktura to dolny bainit + martenzyt, a twardość przekracza 47 HRC. Po hartowaniu izotermicznym zaleca się odpuszczanie w niskiej temperaturze w zakresie 340–380°C.
Hartowanie w wysokiej temperaturze ²	Temperatura nagrzewania wynosi 1150°C, a następnie po wygrzaniu w temperaturze 350–450°C następuje chłodzenie olejowe. Mikrostruktura składa się z bainitu dolnego i martenzytu o twardości ponad 47 HRC. Po hartowaniu izotermicznym zaleca się odpuszczanie w niskiej temperaturze w zakresie 340–380°C.

¹ Struktura bainityczna uzyskana po hartowaniu izotermicznym charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i udarnością. Jej odporność na odpuszczanie jest również znacznie lepsza niż w przypadku konwencjonalnej obróbki cieplnej. Charakteryzuje się wysoką odpornością na szok termiczny i niskim odkształceniem matrycy, co wydłuża jej żywotność.

² Podwyższenie temperatury hartowania stali 3Cr2W8V zwiększa stopień stopowania martenzytu, co skutkuje doskonałą wytrzymałością na gorąco, ale nieznacznie niższą udarnością. Stal 3Cr2W8V jest powszechnie stosowana do produkcji matryc, które nie są poddawane znacznym siłom udarowym, ale wymagają wysokiej wytrzymałości na gorąco, takich jak matryce do wytłaczania, matryce do odlewania ciśnieniowego i matryce do tłoczenia stopów miedzi i aluminium.

③ Zależność między temperaturą hartowania a twardością stali 3Cr2W8V

Temperatura hartowania /°C	950	1050	1100	1150	1200	1250
Twardość HRC	44	49	52	55	56	57

4.3 Rafinacja roztworów i ultradokładne przetwarzanie

Odkuwki są poddawane obróbce cieplnej w temperaturze 1200–1250°C w celu rozpuszczenia węglików w austenit, a następnie hartowane w gorącym oleju lub wrzącej wodzie, po czym natychmiast poddawane odpuszczaniu wysokotemperaturowemu lub krótkotrwałej izotermicznej obróbce sferoidyzującej. Odpuszczanie wysokotemperaturowe przeprowadza się w temperaturze 720–850°C (górna granica obróbki odkuwek i dolna granica dla gotowych matryc). Końcowa obróbka cieplna może obejmować konwencjonalne procesy, takie jak hartowanie olejowe w temperaturze 1100°C.

4.4 Temperowanie

① Zalecane specyfikacje procesu hartowania

Cel hartowania	Temperatura ogrzewania/°C	Sprzęt grzewczy	Chłodzenie	Twardość HRC
Odciążenie, stabilizacja konstrukcji i wymiarów	600 ~ 620	Piec elektryczny	Chłodzenie powietrzem	40.2 ~ 47.4

Uwagi:

1. Duże formy należy odpuszczać natychmiast po hartowaniu. Zazwyczaj odpuszczanie jest wymagane dwukrotnie (w temperaturze 620°C i 600°C, przez 2-3 godziny za każdym razem). W przypadku dużych form o złożonych kształtach można zastosować trzy cykle odpuszczania.
2. Podczas hartowania formy należy najpierw umieścić ją w piecu o temperaturze 350–400°C na 1–3 godziny, a następnie podnieść temperaturę do końcowej temperatury hartowania.
3. Czas wygrzewania należy obliczyć na 40–45 minut na każde 25 mm grubości.

② Związek między temperaturą odpuszczania a twardością

Stan hartowania	Twardość HRC w różnych temperaturach odpuszczania (°C)	Niehartowany	500°C	550°C	600°C	650°C	670°C	700°C
Hartowanie olejowe 1050°C	Twardość HRC	49	46	47	43	35	32	27
Hartowanie olejowe 1075°C	Twardość HRC	50	47	48	44	36	33	30
Hartowanie olejowe 1100°C	Twardość HRC	52	48	49	45	40	36	32
Hartowanie olejowe 1150°C	Twardość HRC	55	49	53	50	45	40	34

4.5 Obróbka powierzchni

Specyfikacja procesu azotowania

Proces	Temperatura/°C	Czas/godz.	Średni	Warstwa azotowana
				Głębokość/mm	Twardość HV
Azotowanie gazowe	530	3 ~ 6	Szybkość rozkładu NH₃ 30% ~ 60%	0.07 ~ 0.12	1000 ~ 1160

5. Właściwości mechaniczne

Stal 3Cr2W8V to typowa stal narzędziowa do pracy na gorąco o wysokiej wytrzymałości cieplnej. Wysoka zawartość pierwiastków W i Cr sprzyja tworzeniu węglików, co przekłada się na doskonałą wytrzymałość i twardość w wysokich temperaturach, a także doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach. Jednak jej wytrzymałość i plastyczność są stosunkowo słabe. Stal ta charakteryzuje się wysoką temperaturą przemiany fazowej i dobrą odpornością na zmęczenie cieplne w wyniku naprzemiennych cykli obróbki cieplnej na gorąco i na zimno. Charakteryzuje się dobrą hartownością, w pełni hartowną w przekrojach o średnicy do 80 mm, i stosunkowo wysoką odpornością na odpuszczanie.

5.1 Właściwości mechaniczne stali 3Cr2W8V w różnych temperaturach odpuszczania

Temperatura odpuszczania/°C	RM/MPa	Rp0,2/MPa	Z (%)	A (%)
400	1800	1400	36	18
450	4800	1420	35.5	14
500	1800	1450	35	13
550	1760	1500	35.5	12
600	1620	1410	38	8
650	1270	–	36	12

Notatka: Hartowanie w oleju o temperaturze 1100°C.

5.2 Stal 3Cr2W8V Twardość w wysokiej temperaturze

Temperatury (°C)	300	450	600	650	700	750
Oryginalna twardość próbki (HRC)	Twardość w wysokiej temperaturze (HV) w różnych temperaturach (°C)
48.8 ~ 49.1	479.5	448.5	414.5	398.5	354.5	208.5
42.0 ~ 43.0	390	386.5	332	304	268	203.5

5.3 Porównanie odporności na zmęczenie stali 3Cr2W8V i 4Cr5MoSiV1

Gatunek stali	Liczba pęknięć zmęczeniowych	Długość pęknięcia / mm
		Całkowita długość	Średnia długość
3Cr2W8V (H21)	125	2.81	0.023
4Cr5MoSiV1 (H13)	11	0.46	0.041

6. Zastosowania

Stal 3Cr2W8V to wysokowytrzymała stal narzędziowa do pracy na gorąco, odpowiednia do produkcji matryc do pracy na gorąco oraz matryc wytrzymujących wysokie naprężenia w podwyższonych temperaturach przy minimalnych obciążeniach udarowych. Przykładami stali są matryce, rdzenie i wypychacze do matryc do wytłaczania na gorąco; stemple, matryce i wkładki do kucia płaskiego; matryce do wytłaczania stopów miedzi, formy odlewnicze lub matryce do wytłaczania przeciwbieżnego poddawane jednocześnie znacznym naprężeniom ściskającym, zginającym i rozciągającym. Jest również stosowana do produkcji narzędzi skrawających w wysokich temperaturach w zastosowaniach z gorącym metalem.