1、书书书基金项目:国家自然科学基金(51574147)，辽宁省自然科学基金(201602474)作者简介:齐明(2000 )，男，本科;E-mail:3052150254 qq com;收稿日期:2022-09-26通讯作者:王旭(1979 )，男，副教授，博士;E-mail:wangxu lnpu edu cnDOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00106冷却速率对新型 C61 齿轮钢力学性能和微观组织的影响齐明1，梁晓东1，2，韩大虹3，任建民1，张智超1，王旭1(1 辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺 113001;2 抚顺特殊钢股份有限公司技术中心，抚顺 1130
2、01;3 中国石油天然气第八建设有限公司，抚顺 113000)摘要:借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X 射线衍射仪(XD)等设备，通过力学性能测试和显微组织观察，探究炉冷、水冷、石棉缓冷三种不同冷却方式对 C61 钢热轧态组织和性能的影响，对比不同状态下试验钢的性能。试验结果表明:冷却速度对试验钢的性能影响较大，由于冷却速率 V水冷 V石棉缓冷 V炉冷，导致试验钢在水冷条件下强度、硬度均高于炉冷和石棉缓冷处理时的性能;热轧后经水冷，试验钢的抗拉强度(m)和断面收缩率(Z%)分别为 1 450 MPa 和 62 7%，XD 分析得知，热轧后随冷却速率增加钢的残余奥
3、氏体含量增多，面心立方的奥氏体有利于提升试验钢的韧性。可见，热轧水冷后的试验钢经过 950 加热 1 h，水淬，经过 73 冷处理 1 h 后，恢复到室温，最后在 482 回火 16 h，空冷至室温是最佳工艺方案。关键词:热处理工艺;热轧;显微组织;力学性能Effect of Cooling ate on Mechanical Propertiesand Microstructure of New C61 Gear SteelQi Ming1，Liang Xiaodong1，2，Han Dahong3，en Jianmin1，Zhang Zhichao1，Wang Xu1(1 School o
4、f Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun 113001;2 Technology Center，Fushun Special Steel Co，Ltd，Fushun 113001;3 The Eighth Construction Company of CNPC Ltd，Fushun 113000)Abstract:With the help of optical microscope(OM)，scanning electron microscope(SEM)，transmission electron
5、micro-scope(TEM)，X-ray diffractometer(XD)and other equipment，through mechanical performance testing and microstruc-ture observation，we explored the effects of furnace cooling，water cooling，and asbestos slow cooling three different coolingmethods on the structure and properties of the hot-rolled cond
6、ition C61 steel，compared the performance of the test steel indifferent conditions The experimental results show that the cooling rate has a great influence on the performance of the teststeel Due to Vwater cooling Vasbestos slow cooling Vfurnace cooling，the strength and hardness of the test steel un
7、der water cooling con-dition are higher than those of furnace cooling and asbestos slow cooling After hot rolling and water cooling，the tensilestrength(m)and reduction of area(Z%)of the test steel are 1 450 MPa and 62 7%，XD analysis shows that the resid-ual austenite content of the steel increases w
8、ith the increased cooling rate after hot rolling，and the surface-centered cubicaustenite is conducive to improve the toughness of the test steel It can be seen that the test steel after hot rolled+watercooling was heated at 950 for 1 h quenched by water，and cold treatment at 73 for 1 h，then returned
9、 to room tem-perature，finally tempering at 482 for 16 h，air cooling to room temperature is the best process schemeKey Words:Heat Treatment Process;Hot olled;Microstructure;Mechanical Property齿轮在服役过程中需要承受较大的循环应力冲击载荷，这就要求其具有良好的力学性能，20CrMnTi长时期以来是国内主要的渗碳齿轮钢种，由于 Ti 元素含量较多，容易形成 TiN 夹杂，产生疲劳裂纹源，造成齿轮的疲劳寿命缩短
10、等问题 1-3。近年来，各国开始自主研发性能更为优良的齿轮钢体系，其中美国Questek 公司研发的 C61 齿轮钢便是新一代齿轮钢的代表。由于其中加入了大量的 Co、Ni 元素，使 C61 齿轮钢在保证高强度的同时兼顾高韧性，提高了使用寿命，国外已经将 C61 齿轮钢应用于直升机旋翼轴和汽车传动轴，但国内鲜有应用 4-6。热轧工艺可以减少组织缺陷，提升合金的综合性能。马占福等7 在研究热轧工艺对 Q345B 钢组织和力学性能的影响时发现，当化学成分一定、变形08第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023工艺一定时，冷却速
11、度的加快和终轧温度及卷取温度的降低可以细化晶粒。余万华等8 在研究轧制温度对 GCr15 轴承钢组织性能的影响时发现，精轧温度为 800 时，GCr15 钢试样的抗拉强度达到最大，此时可以获得珠光体团直径较小、Fe3C 片层较细、网状碳化物较少的显微组织。杨跃辉等9 在研究中发现，当精轧终轧温度降低至800、返红温度降低至 670 时，可以细化组织并促进 TiC 析出，从而提高试验钢的性能。由于 C61 齿轮钢在国内少有研究，因此，本文以热轧态不同冷却速率的 C61 齿轮钢为主体研究对象，探究不同热加工工艺对试验钢显微组织和性能的影响，为 C61 齿轮钢的热处理工艺研究提供依据。1试验材料及方
12、法1 1试验材料试验钢使用 50 kg 真空中频感应炉+真空自耗(VIM+VA)工 艺 进 行 冶 炼，铸 锭 后 锻 造 成55 mm 53 mm 的棒材。具体化学成分见表 1。将经过锻造后的棒材进行热轧工艺处理，棒材在 450热轧实验机炉膛中加热至1 100 后(氮气保护)，等温10 min，进行压缩变形。450 热轧实验机的轧辊尺寸为 450 mm 450 mm，轧制速度为1 m/s。经过八道次轧制，总压下率约为 92 5%，终轧温度为 980 940，具体热轧工艺方案见表 2。热轧后选用炉冷、水冷、石棉缓冷三种冷却方式，三种冷却方式分别对应的冷却速率约为05 /s、100 /s、2 5
13、 /s。1 2热处理工艺将热轧后三种冷却方式的试验钢经过 950 加热 1 h，水淬，经过 73 冷处理 1 h 后，恢复到室温，最后在482 回火16 h，空冷至室温，对比不同表 1C61 钢的化学成分/%Table 1Chemical composition of C61 steel/%CCrNiCoMoVFe01635876012 190 960 23Bal表 2热轧试验方案Table 2Experimental scheme of hot rolling道次板宽/mm板厚/mm压下率%轧制温度/原始尺寸5553第一道次47 0032861 100第二道次35 002553第三道次24
14、003143第四道次17 002917第五道次12 002941第六到次8502917第七道次5803176第八道次4003103980 940图 1热处理工艺流程图Fig 1Flow chart of the heat treatment process冷却方式的试样进行显微组织和力学性能分析。热处理工艺流程如图 1。1 3试验方法显微组织观察:金相试样尺寸为15 mm 15 mm 4 mm，经磨抛后在 Olympus 光学显微镜下进行显微组织观察，其中腐蚀液为4%的硝酸酒精溶液。硬度测试:硬度试样尺寸为 15 mm 15 mm 4 mm，将磨抛后的试样在 H-150 A 型洛氏硬度计进行硬
15、度测试，每组试样测试 3 个点，取其平均值作为该热处理状态硬度的最终值。拉伸试验:试样尺寸为 d=5 mm，L=25 mm，室温条件下在 INSTON5500 测试机上进行试验，拉伸速率为 0 5 mmmin1;然后在 TESCAN VEGA IILMU 扫描电镜下观察拉伸断口。物相分析:采用 D8 advance X 射线衍射仪对不同状态的试样进行物相分析，扫描角度为 20 90，选择 Cu 靶作为靶材。透射组织观察:TEM 样品从热处理后的试样上切取，将热处理的试样经线切割后获得 0 6 mm 的薄片，在砂纸上研磨至 40 m 以下，冲孔后获得3 mm的小圆片，然后在 20、8%HClO4
16、的电解液环境中进行双喷减薄，最后在 JEM-2100 透射电镜上进行组织观察，操作电压为 200 kV。2试验结果及分析2 1不同冷却方式对热处理后 C61 钢力学性能的影响2 1 1硬度图2 为热轧后三种冷却方式 C61 齿轮钢的硬度测试结果。从图中可以看出，水冷条件下试验钢的硬度最高，可达到 43 8HC;石棉缓冷条件下硬度次之，达到 39 8HC;炉冷条件下硬度最 低 为38 8HC。随冷却速率的加快，硬度逐渐增加(水18第 2 期齐明等:冷却速率对新型 C61 齿轮钢力学性能和微观组织的影响图 2不同冷却方式热处理后 C61 齿轮钢的硬度Fig 2Hardness of C61 gear steel after heat treatment in differ-ent cooling methods冷 石棉缓冷 炉冷)，相较于炉冷，水冷条件下硬度值提升了约 5%。2 1 2拉伸性能图3 为热轧后三种冷却方式 C61 齿轮钢的拉伸性能。从图中可以看出，试验钢经不同冷却方式处理后，其拉伸性能有一定差距。在炉冷条件下，试验钢的抗拉强度(m)最低，数值为 1 250 MPa;在水冷条件
