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齿轮的激光热处理技术

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我国从20世纪80年代就开始齿轮激光热处理的研究,同时研制了多种激光热处理装备,现已成为一项实用并极有发展前景的高新技术。


作为一种新型的表面强化技术,齿轮激光热处理克服了传统热处理的缺点,获得了理想的硬度和硬化层分布,耐磨性大幅度提高,使用寿命延长,淬火畸变微小,齿轮精度等级不受影响,齿面不需要研磨,可以代替渗碳、渗氮等表面化学热处理和感应热处理等传统工艺,生产成本低,生产效率高,目前已经广泛应用于船舶、风能发电、冶金、矿山及工程车辆等多种行业各类齿轮的表面硬化处理,尤其适合大型和特种齿轮的热处理,最大直径达3m以上。


1.激光淬火技术

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,使其硬化层部位瞬间吸收光能立即转化为热能,使激光作用区温度急剧上升达到材料的相变点以上,形成奥氏体,此时零件基体呈冷态,与加热区之间有极高的温度梯度,一旦停止激光照射,其加热区因急冷而发生直冷淬火,使金属表面的奥氏体转变成马氏体。而这种马氏体组织十分细小,具有比常规淬火更高的组织缺陷密度。由于冷速极快(104~109℃/s),碳原子来不及扩散,因此马氏体含碳量较高,残留奥氏体也获得较高的位错密度,使材料具有畸变强化效果,从而显著提高了零件表面的耐磨性。


同时,硬化层内残留有相当大的压应力,又显著增加了零件表面的疲劳强度。利用这些特点对齿轮表面实施激光淬火,可以显著提高材料的耐磨性能和抗疲劳性能。图1为齿轮的激光热处理。


(a)齿轮激光热处理形貌

(b)齿轮的激光热处理过程

图1 齿轮的激光热处理


齿轮激光淬火与传统热处理的对比如表1所示。

齿轮激光淬火与传统热处理的对比

工艺方法

渗碳、渗氮等

感应淬火

激光淬火

处理材料

碳钢、低合金钢

中碳钢、中碳合金钢

各种钢材、铸钢等

淬硬层组织及硬度

马氏体+碳化物+残留奥氏体

硬度56~62HRC

马氏体

硬度45~60HRC

隐针马氏体

硬度提高15%~20%

心部组织及硬度

回火马氏体

硬度35~45HRC

正火或调质

硬度<30HRC

正火或调质

硬度<30HRC

齿面硬化层形状

沿齿廓分布均匀

分布不均匀

沿齿廓分布均匀

硬化层的可控性

易控制

不易控制

可精确控制

淬硬层残留应力

压应力,分布均匀,小

随硬化形状分布不均,较大

压应力,分布均匀,大

热处理畸变

较大

较小

极小

工艺周期及成本

周期长,成本高

周期短,成本低

周期短,成本低


2.激光淬火工艺

(1)激光淬火工艺参数

激光淬火的硬化指标主要是硬化层深度、宽度和硬度。影响上述指标的基本工艺参数是:作用在工件表面上光斑尺寸d(mm),激光器输出功率N(W),扫描速度V(即工件移动速度,mm/min),其次还有材料对光的吸收率。此外,也有直接将功率密度P(W/cm2)作为控制工艺的参数。


激光硬化层深度(δ)∝激光功率P/扫描速度V,光斑尺寸d因此,在制定激光淬火工艺参数时,首先应确定激光功率、光斑尺寸和扫描速度。


应用2kW连续CO2气体激光器对40钢进行激光淬火,得到的硬化层深度与功率、光斑尺寸、扫描速度呈比例关系,其关系如下:

δ=-0.10973.02P/(dV

式中 δ——硬化层深度(mm);

P——加热功率密度(W/cm2);

d——光斑直径(mm);

V——扫描速度(mm/min)。


(2)齿轮激光淬火的扫描方式

主要有两种:一是周向连续扫描,即齿轮连续转动,激光束轴向移动,在齿面上形成螺旋形间隔硬化带,适合于中、小模数(5mm以下)齿轮;二是轴向分齿扫描,即激光沿齿轮做轴向往复运动,齿轮轮齿同一侧的扫描工作完成后,激光束移到另一选定位置,重复上述运动。适合于中、大模数齿轮。


(3)几种材料激光淬火工艺参数及效果如表2所示。

几种材料激光淬火工艺参数及效果

牌号

功率密度/kW/cm2

激光功率/W

扫描速度/mm/s

硬化层深度/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.齿轮激光热处理成套设备

(1)产品名称与型号

如武汉金石凯激光技术有限公司生产的GS-RC型系列齿轮激光热处理成套设备。


(2)齿轮激光热处理成套设备组成

主要由激光器、水冷机组和加工机床及光路系统组成。

作者:金荣植

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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