齿轮激光淬火强化技术

齿轮激光淬火强化技术
冯荣元
摘要　齿轮激光相变强化具有弥散强化、畸变强化、无氧化脱碳、独特的抗疲劳机理和等强工作层等强化机制,使齿轮既有高硬度又有高强度,大大提高疲劳性能和耐磨性能,而且没有粗晶、分层、齿根应力集中等工艺隐患,避免偶然失效。

采用轴向分齿扫描,根据齿轮模数选择适当的激光参数,尤其适合模数m≥4的大、中型齿轮。

关键词:齿轮　激光强化　工艺
中图分类号:T H16　文献标识码:B　文章编号:1671—3133(2005)02—0132—03
1　传统齿轮热处理工艺及其质量特点
1)表面淬火　表面淬火最常用的有高频淬火和火焰淬火。

一般机床齿轮选用中碳钢经高频淬火处理,所得到的硬度、强度及韧性可满足要求,且具有不易氧化、脱碳和变形小、生产率高等优点。

大模数齿轮(m>4),多采用逐齿加热淬火法,小模数齿轮一般采用整体加热淬火法。

生产现场简易条件下采用火焰淬火,也有一定使用效果。

此工艺最大弱点是齿根容易应力集中,使用中容易发生断齿,且由于高频线圈不可能做到完全和齿形吻合,造成齿面硬度分布不均。

2)化学热处理　汽车、拖拉机等大载荷高速齿轮为了使基体具有强韧性能而齿面耐磨,采用低碳钢表面渗碳后淬火、回火,或采用中碳钢整体调质处理后表面渗氮等化学热处理。

此类工艺目前虽可满足使用性能要求,但工艺流程长、能耗高、成本高,且造成环境污染。

此外,渗碳处理的齿轮变形大,加大后期精加工工作量;渗氮处理的齿轮在使用中有剥落现象。

3)整体调质处理　齿轮轴和大载荷中、低速大型齿轮采用调质处理,防止脆断是一项重要指标,为了用同一种工艺满足多方面性能要求,采用高淬透性材料进行调质处理,确保轴和基体在重载荷下不发生脆断,这一兼顾性工艺,牺牲了齿面的硬度,降低了耐磨性。

2　激光相变强化的特点
激光相变强化是用激光束扫描工件,使工件表层快速升温到AC3临界点以上,受热层在光斑移开时,由于工件基体的热传导作用使温度瞬间进入马氏体区或贝氏体区,发生马氏体相变或贝氏体相变,完成相变强化过程。

1)淬透性　淬透性是指金属材料在加热到奥氏体化之后的冷却过程中,当其处于珠光体转变区域时奥氏体的分解速度。

分解速度快的淬透性差,分解速度慢的淬透性好。

在奥氏体开始分解之前有个孕育时间,材料只要在孕育时间内越过这一温度区间,便可获得完全的淬火组织(马氏体或贝氏体);否则,只能得到部分淬火组织或完全得不到淬火组织。

在激光淬火中,当用D=5mm的光斑,V= 1200mm/m in速度扫描时,一个固定点的加热时间是012s,据现场测试,钢质件经012s加热可使距表面017～1mm处的温度升到AC3临界温度以上。

反之,当工件的热容量足够大时,被加热工件将以104～106℃/s 的冷却速度从AC3临界点温度冷却到马氏体开始转变温度M S以下,对于奥氏体越过珠光体转变区域,完成马氏体相变条件是足够的。

所以,淬透性对于激光表面相变强化来说无关紧要。

2)弥散强化和畸变强化　激光相变强化是以高能量密度的激光束照射工件表面,使需要强化的部位瞬间吸收光能,温度急剧上升,形成奥氏体,表面层的奥氏体化时间约012s,奥氏体晶粒没有孕育长大的机会,弥散的奥氏体晶粒,形成弥散的马氏体相,使马氏体具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。

而且,在激冷条件下形成的马氏体晶格,比常规淬火有更高的缺陷密度。

与此同时,残余奥氏体也获得极高的位错密度,从而使金属材料具有畸变强化效果,强度大大提高。

3)无氧化脱碳　激光相变强化所使用的吸光涂料具有保护工件表面免遭氧化脱碳的性能。

4)强化抗疲劳性能　用经激光处理和未经激光处理的Cr12MoV试样做磨损对比试验,发现激光处理试样表面比较光滑、犁沟较浅、粘着现象较轻;而未经激光处理的试样磨损表面损伤严重,有明显的犁沟和表面粘着斑痕。

因此激光强化层具有较强的抗塑性变形和抗粘着磨损能力,强化材料抗疲劳性能。

5)强化层硬度均匀　常规热处理由表及里其硬度值有一个明显的下降梯度,经激光强化的工件,整个强化层的硬度几乎一样。

　综 述　
3　齿轮激光淬火相变强化工艺
311　齿轮材料
激光齿轮无需整体淬火,宜采用中碳钢,如果采用低碳钢,齿轮的基体将没有强度保证,降低弯曲疲劳强度。

312　齿轮原始状态
激光淬火齿轮的最佳原始状态是调质状态,具体操作可与齿轮毛坯锻造后的消除应力热处理相结合,在传统工艺中,原本锻后消除应力热处理可退火,也可正火,作为激光淬火齿轮的毛坯,可确定为正火。

313　激光扫描方式
31311　周向连续扫描
齿轮连续转动,光斑轴向移动,在齿面上形成螺旋形间隔硬化带。

该方法存在的主要问题:1)在齿面上形成了硬化带之间的窄小回火区,回火带的硬度比硬化带的硬度低10HRC左右;2)光斑从齿根移动到齿顶的过程中,功率密度逐渐增强,如果激光参数和扫描运动参数选择不当,则齿顶部分容易烧熔。

齿轮的模数越大,这种情况越显著。

因此,齿轮周向连续扫描一般只适用于中、小模数(m≤315mm)齿轮;3)采用周向连续扫描的最佳强化点很难控制在最需要强化的位置上。

31312　轴向分齿扫描
光斑沿齿轮作轴向往复运动,齿轮作分齿转动。

当齿轮轮齿同一侧齿面的扫描工作完成后,光斑移动到另一侧,重复上述运动,即可完成齿轮轮齿另一侧齿轮面的扫描工作。

轴向分齿扫描有如下特点:1)轴向分齿扫描宜采用宽带镜,根据轮齿模数大小选择适当带宽,可一次扫描全齿面,避免在齿面上搭接,可获得理想的强化层层深分布;2)该扫描方法特别适于m≥4的中、大模数齿轮;3)轴向分齿扫描有背面回火现象。

由于采用单束光扫描,因此对一个齿轮而言,轮齿两侧面必然存在先后扫描的问题,这样就有可能发生背面回火现象,使轮齿两侧面有明显的硬度差别。

齿轮的模数越小,这种硬度差别就越大。

314　解决背面回火的方法
发生背面回火的重要原因是轮齿基体温升超过了回火温度,而基体的温升与激光参数有直接关系,虽然采取恰当的散热措施,以降低轮齿基体的温度,可有效地避免发生背面回火,但使装备复杂化和产生环境污染。

经大量的试验和理论分析可知,根据齿轮模数来选择适当的激光参数(功率、扫描速度),就可避免背面回火。

对于给定的齿轮模数,只要所选择的激光功率P和扫描速度V位于图1所示的该模数曲线的右下方,即不会发生背面回火。

图1　齿轮激光淬火参数选择图
315　变形问题
由于激光淬火
加热速度极快,可
达103～104℃/s,而
相变温度停留时间
极短,只有10-2～
10-1s,因此热影响
区很小。

再加上基
体对微小的局部热
作用区变形具有极
大的抑制作用,所
以可将热应力变形
和相变应力变形控
制在很小的限度范围内。

但是,由于各种齿轮的模数变化范围大,齿轮的形状、大小、轮辐的厚薄等不同,进行齿轮激光淬火时,如果采用的工艺方法不当,尤其轮辐较薄的齿轮的变形量不容忽视,采用适当的预处理方法和工艺过程中的温升控制技术可明显降低变形量。

表1所列是模数m=5,齿数z=17、18,材料为45钢的齿轮,在激光淬火前、后变形量实测值对比。

表1　齿轮淬火前、后变形量对比(μm)
编
号
齿
数
激光
淬火
齿形误差
Δf
f
齿向误差
Δfβ
周节累积
误差Δf
p
基节极限
偏差Δf
pb
公法线长度
变动Δf
w 117
前
左36
右39
左2
右2
214035后
左41
右45
左4
右3
173840
218
前
左84
右78
左3
右2
313520后
左88
右77
左2
右3
333015
从表1可以看出,激光淬火前、后各测量项目变化值均在几个微米左右,变形量极小。

由于其变形量极小,没有使原精度等级下降,故无需磨齿。

4　激光淬火齿轮的性能
411　疲劳性能
文献[2]用模数m=5,齿数Z
1
=17,Z2=18,齿轮材料为45钢的两组齿轮做疲劳性能试验,其中一组采用激光表面强化,一组调质处理。

在最大额定载荷
(S
H
=1)作用下,其疲劳寿命均超过514×107(根据
　综 述　
制造业电子商务与ERP整合进展研究3
刘　伟　李益兵　郭顺生
摘要　电子商务时代的到来对ERP提出了新的内容和要求。

分析在电子商务环境下企业资源计划(ERP)需求的新特点,并结合ERP发展和实际应用中存在的问题,论述ERP与电子商务集成化的发展方向,为企业实施ERP和电子商务提供有益的建议。

关键词:电子商务　企业资源计划　客户关系管理　供应链管理
中图分类号:TP391;TH16　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2005)02—0134—04
Research on develop m en t and conform ity of ERP w ith EB
i n manufactur i n g en terpr ises
L i u W e i,L iY i b i n g,Guo Shun sheng
Abstract　The com ing E B(Electr onic Business)age bring ERP many ne w p r oble m s and contents.Concentrates on the new devel2 opment and conf or m ity of ERP with E B in manufacturing industry.A ls o,analyzes the integrati on way of ERP and E B,and brings out s ome useful advise for enter p rises.
Key words:EB　ERP　CR M　SC M
电子商务(Electr onic Business,EB)是一种全新的商业运作模式,指企业通过I nternet来拓展要素市场和消费市场、采购投入品以及销售产出品或服务的一种全新交易模式。

对于不同的社会组织来讲,对电子商务的理解是不同的。

电子商务无论从深度上还是从广度上,都强烈地冲击着传统的管理模式,对传统的管
3　国家重点科技攻关计划项目(2003BA103C)
I S O6336及G B/T3480标准,齿轮的无限寿命基本疲劳循环次数为5×107次)。

试验结束后,经检测,齿面均未发现任何疲劳点蚀,说明激光淬火齿轮具有较高的齿面抗接触疲劳破坏能力。

调质齿轮在达到4×105次时,一对调质齿轮的齿面发生了严重的点蚀(疲劳点蚀发生在节线附近靠齿根部分)。

激光淬火齿轮和调质齿轮均未发现有断齿现象,两者都具有较高的抗弯曲疲劳性能。

412　耐磨性能
经上述疲劳试验的激光淬火齿轮面上原加工刀痕(磨削)仍清晰可见,说明激光淬火齿轮齿面具有很高耐磨性。

而调质齿轮的齿面磨损十分严重,在轮齿表面沿轮齿啮合相对运动方向(径向),有大量的明显的磨擦条痕。

413　使用性能
据对韶钢使用现场的跟踪调查,相同使用环境,未经热处理齿轮的使用寿命是经调质处理(硬度35HRC 左右)的齿轮的50%;在高炉上使用的材质为35Cr M o 的齿轮以前厂家提供的是调质状态,使用寿命为3个月,激光表面强化后的使用寿命已超过6个月(统计时还在使用)。

据天津某钢铁企业的跟踪调查,线材轧机材质为34Cr N i M o的齿轮轴,经调质处理的齿轮的使用寿命为115个月,高频淬火的使用寿命为3个月,激光表面强化使用寿命已超过6个月(统计时还在使用)。

综上所述,经调质处理的齿轮使用寿命是未经热处理齿轮的一倍;高频淬火(含火焰淬火)的齿轮使用寿命是调质处理齿轮的一倍;激光表面强化的齿轮使用寿命是高频淬火齿轮的一倍。

激光表面强化齿轮的使用寿命比化学热处理齿轮略长或基本相当。

5　结语
由于激光相变强化具有弥散强化、畸变强化、无氧化脱碳、独特的抗疲劳和强化层硬度均匀,使材料既有高的硬度,又有高的强度,大大提高齿轮的疲劳性能和耐磨性能,而且没有粗晶、分层、齿根应力集中等工艺隐患。

采用轴向分齿扫描,根据齿轮模数选择适当的激光参数,尤其适合m≥4的大、中模数齿轮。

小模数齿轮为了避免背面回火,轴向分齿扫描许用的功率密度较低,其强化层较薄。

参　考　文　献
1　激光淬火齿轮的疲劳寿命试验研究1激光技术工业应用研究论文集,上海海运学院,1990
2　陈再枝等1模具钢手册1北京:冶金工业出版社,2002作者简介:冯荣元,高级工程师,主要从事冶金、金属材料、激光强化工艺研究。

作者通讯地址:广州富通光科技术有限公司(广州510635)
收稿日期:20041126
　综 述　。