我國從20世紀(jì)80年代就開始齒輪激光熱處理的研究，同時研制了多種激光熱處理裝備，現(xiàn)已成為一項實用并極有發(fā)展前景的高新技術(shù)。
作為一種新型的表面強化技術(shù)，齒輪激光熱處理克服了傳統(tǒng)熱處理的缺點，獲得了理想的硬度和硬化層分布，耐磨性大幅度提高，使用壽命延長，淬火畸變微小，齒輪精度等級不受影響，齒面不需要研磨，可以代替滲碳、滲氮等表面化學(xué)熱處理和感應(yīng)熱處理等傳統(tǒng)工藝，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶、風(fēng)能發(fā)電、冶金、礦山及工程車輛等多種行業(yè)各類齒輪的表面硬化處理，尤其適合大型和特種齒輪的熱處理，最大直徑達3m以上。
1.激光淬火技術(shù)
激光淬火是以高能量密度（103~108W/cm2）的激光束快速照射零件表面，使其硬化層部位瞬間吸收光能立即轉(zhuǎn)化為熱能，使激光作用區(qū)溫度急劇上升達到材料的相變點以上，形成奧氏體，此時零件基體呈冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極高的溫度梯度，一旦停止激光照射，其加熱區(qū)因急冷而發(fā)生直冷淬火，使金屬表面的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。而這種馬氏體組織十分細小，具有比常規(guī)淬火更高的組織缺陷密度。由于冷速極快（104~109℃/s），碳原子來不及擴散，因此馬氏體含碳量較高，殘留奧氏體也獲得較高的位錯密度，使材料具有畸變強化效果，從而顯著提高了零件表面的耐磨性。
同時，硬化層內(nèi)殘留有相當(dāng)大的壓應(yīng)力，又顯著增加了零件表面的疲勞強度。利用這些特點對齒輪表面實施激光淬火，可以顯著提高材料的耐磨性能和抗疲勞性能。圖1為齒輪的激光熱處理。
（a）齒輪激光熱處理形貌
（b）齒輪的激光熱處理過程
圖1 齒輪的激光熱處理
齒輪激光淬火與傳統(tǒng)熱處理的對比如表1所示。
表1 齒輪激光淬火與傳統(tǒng)熱處理的對比
工藝方法 | 滲碳、滲氮等 | 感應(yīng)淬火 | 激光淬火 |
處理材料 | 碳鋼、低合金鋼 | 中碳鋼、中碳合金鋼 | 各種鋼材、鑄鋼等 |
淬硬層組織及硬度 | 馬氏體＋碳化物＋殘留奧氏體 硬度56~62HRC | 馬氏體 硬度45~60HRC | 隱針馬氏體 硬度提高15%~20% |
心部組織及硬度 | 回火馬氏體 硬度35~45HRC | 正火或調(diào)質(zhì) 硬度＜30HRC | 正火或調(diào)質(zhì) 硬度＜30HRC |
齒面硬化層形狀 | 沿齒廓分布均勻 | 分布不均勻 | 沿齒廓分布均勻 |
硬化層的可控性 | 易控制 | 不易控制 | 可精確控制 |
淬硬層殘留應(yīng)力 | 壓應(yīng)力，分布均勻，小 | 隨硬化形狀分布不均，較大 | 壓應(yīng)力，分布均勻，大 |
熱處理畸變 | 較大 | 較小 | 極小 |
工藝周期及成本 | 周期長，成本高 | 周期短，成本低 | 周期短，成本低 |
2.激光淬火工藝
（1）激光淬火工藝參數(shù)
激光淬火的硬化指標(biāo)主要是硬化層深度、寬度和硬度。影響上述指標(biāo)的基本工藝參數(shù)是：作用在工件表面上光斑尺寸d（mm），激光器輸出功率N（W），掃描速度V（即工件移動速度，mm/min），其次還有材料對光的吸收率。此外，也有直接將功率密度P（W/cm2）作為控制工藝的參數(shù)。
激光硬化層深度（δ）∝激光功率P/掃描速度V，光斑尺寸d。因此，在制定激光淬火工藝參數(shù)時，首先應(yīng)確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。
應(yīng)用2kW連續(xù)CO2氣體激光器對40鋼進行激光淬火，得到的硬化層深度與功率、光斑尺寸、掃描速度呈比例關(guān)系，其關(guān)系如下：
δ＝－0.1097＋3.02P/（dV）
式中 δ——硬化層深度（mm）；
P——加熱功率密度（W/cm2）；
d——光斑直徑（mm）；
V——掃描速度（mm/min）。
（2）齒輪激光淬火的掃描方式
主要有兩種：一是周向連續(xù)掃描，即齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，激光束軸向移動，在齒面上形成螺旋形間隔硬化帶，適合于中、小模數(shù)（5mm以下）齒輪；二是軸向分齒掃描，即激光沿齒輪做軸向往復(fù)運動，齒輪輪齒同一側(cè)的掃描工作完成后，激光束移到另一選定位置，重復(fù)上述運動。適合于中、大模數(shù)齒輪。
（3）幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果如表2所示。
表2 幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果
牌號 | 功率密度/（kW/cm2） | 激光功率/W | 掃描速度/（mm/s） | 硬化層深度/mm | 硬度HV |
20 | 4.4 | 700 | 19 | 0.3 | 476.8 |
45 | 2 | 1000 | 14.7 | 0.45 | 770.8 |
40Cr | 3.2 | 1000 | 18 | 0.28~0.6 | 770~776 |
40CrNiMoA | 2 | 1000 | 14.7 | 0.29 | 617.5 |
20CrMnTi | 4.5 | 1000 | 25 | 0.32~0.39 | 462~535 |
3.齒輪激光熱處理成套設(shè)備
（1）產(chǎn)品名稱與型號
如武漢金石凱激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GS-RC型系列齒輪激光熱處理成套設(shè)備。
（2）齒輪激光熱處理成套設(shè)備組成
主要由激光器、水冷機組和加工機床及光路系統(tǒng)組成。
作者：金榮植
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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