齿轮的激光热处理技术与应用_金荣植

摘要：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，齿轮耐磨性能大大提高，使用寿命延长，淬火变形微小，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，目前已广泛应用于矿山、冶金、船舶、风能发电及工程车辆等多种行业各类齿轮的表面硬化处理，取得了显著效果。

关键词：齿轮 激光热处理 应用
中图分类号：TG162.73；TG155.2+5 文献标识码：B
齿轮的激光热处理技术与应用
哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司 金荣植
1 齿轮的激光热处理技术及其优点
1.1 齿轮的激光热处理技术
激光淬火是以高能量密度（103~105 W/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而立即转化为热能，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接冷却淬火，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，残余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。

利用这一特点对零件表面实施激光淬火，可以显著提高材料的耐磨性能和抗疲劳性能。

齿轮激光表面强化是一种新型的表面强化技术，通过多年的改进和发展，克服了渗碳（碳氮共渗）、渗氮及感应热处理等传统热处理工艺存在的硬化层分布不均、变形大等缺点，适合于多种材质、不同几何参数和尺寸的齿轮。

我国从20世纪80年代就开始齿轮激光淬火的研究，同时研制了多种激光淬火设备，现已成为一项实用并极有发展前景的高新技术。

目前，齿轮激光热处理技术主要应用如下。

a.技术要求高，如大直径、易变形、难磨齿（如内齿圈）、异形齿轮（如无法感应淬火）等；
b.性能要求高，如表面硬度和表面残余压应力要求高、齿根层深需要控制；
c.心部性能要求较低，同时要降低成本和生产周期（相对渗碳+磨齿）；
d.受热处理炉限制无法硬化的齿轮，如超大齿轮
（直径2 m以上）；
e.火焰等表面淬火硬度不均等情况。

1.2 优点
齿轮的激光热处理见图1。

同其他淬火方式相比，齿轮表面激光淬火具有以下优点。

a. 优势明显。

激光淬火后齿轮可获得硬齿面，齿面耐磨的同时可保证齿轮整体机械性能，更加符合齿轮的使用要求。

b. 耐磨性高。

激光淬火处理的齿轮硬度高，金相组织细化，耐磨性优于传统淬火工艺。

激光淬火使组织产生压应力，提高齿轮的抗疲劳强度。

c.变形小。

激光加热速度快，进入零件内部的热量少，由此带来的热畸变最小（畸变量为高频淬火的1/3~1/10），齿轮的齿廓变形量在0.01 mm以内，无裂纹，能保持原有的表面粗糙度，所以经激光淬火后的齿轮可以直接装机使用。

d.生产周期短。

激光淬火变形小，一般不需要再磨齿，因此简化了生产工序，提高了生产效率，降低了生产成本。

e.齿轮选材范围扩大。

可选用低价格的钢种（如低碳、中碳钢等）制造齿轮，通过激光淬火提高齿面硬度，保证使用要求。

f.激光淬火采用自冷却方式，无需淬火液，是一种清洁的热处理技术。

g.配有多位空间运动工作台的大功率激光器，特别适用于生产效率很高的机械化自动生产，可以直接安排在生产线，以实现自动化生产。

2 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光斑尺寸、激光器输出功率、扫描速度（即工件移动速度），其次还有材料对光的吸收率。

此外，直接功率密度也作为控制工艺的参数。

（1）激光功率P
通过调节激光器工作电流等激光器参数可调节激光器的输出功率P。

通常，在激光淬火过程中激光功率保持不变。

（2）光斑尺寸d
对于某种型号的激光器，其聚焦后的光斑尺寸由聚焦镜焦距和聚焦量X决定。

聚焦量是指从淬火工件表面至激光聚焦后最小光腰平面之间的距离。

在聚焦镜焦距一定的情况下，聚焦量X可代替光斑尺寸d作为另一个激光工艺参数。

（3）扫描速度V
加热时间与扫描速度有关。

V影响淬火的最高加热温度及温度分布。

利用非熔化临界方程式可做出非熔化临界面，它把熔化区与非熔化区明确分开。

（4）扫描方式
为获得均匀一致的硬化层，对不同模数齿轮应采取不同的扫描方式。

a.周向连续扫描
通过齿轮连续转动，激光束轴向移动，在齿面上形成螺旋形间隔硬化带。

该方法适合于中、小模数（5 mm以下）齿轮。

b.轴向分齿扫描
激光沿齿轮做轴向往复运动，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。

该方法适合于中、大模数齿轮。

3 齿轮激光淬火后的金相组织与性能
3.1 金相组织
a.低碳钢如20钢采用常规淬火方法很难淬硬。

经激光淬火后，硬化层深度可达0.45 mm左右，表层硬度达420~465 HV，金相组织为板条马氏体，过渡区为马氏体+细化铁素体。

图1 齿轮的激光热处理
b.中碳钢如45钢（调质后），激光淬火层组织以细化板条马氏体为主，过渡区为马氏体+屈氏体的混合物，表面硬度为650~800 HV。

c.合金结构钢、中碳合金结构钢如40C r、40CrNiMo等，第一层表层为完全淬硬层，由隐晶马氏体+少量残余奥氏体组成；第二层过渡层为马氏体+碳化物组成；第三层为高温回火区，由回火索氏体组成。

硬化层硬度为670~780 HV。

3.2 性能
齿轮激光淬火技术适用于高中碳钢、高中碳合金钢、铸铁等材料，硬化层深可控制在0.4~1.2 mm。

对于低碳钢、低碳合金钢，淬火硬度可达40 HRC左右；对于中碳钢（如45钢）表面淬火硬度可达57 HRC左右。

激光淬火加热速度极高（可达1 000 ℃/s以上），相变温度停留时间不到0.1 s，因此热影响区很小，一般不会使原齿轮加工精度等级降低。

激光淬火后齿轮的疲劳强度比调质齿轮的高得多，寿命可提高几倍乃至十几倍，并且耐磨性极好。

4 激光渗碳与渗氮热处理
4.1 激光渗碳热处理
与传统的气体渗碳或固体渗碳相比，激光渗碳突出的优点是工艺时间非常短，可以精确简便地控制工件的渗碳部位。

a.在丙烷+丁烷+氩气的气氛中，对20钢和12CrNi3钢进行脉冲激光渗碳，只需2~3 ms即可同时完成渗碳和淬火，因而它不需渗碳的后期热处理。

b.如果工件适合用石墨粉膏剂进行局部渗碳，这样就比采用气体介质的激光渗碳更简便，只需将石墨粉膏剂（渗碳介质）涂覆在零件需渗碳的部位，即可进行激光渗碳热处理。

当渗碳部位仅占工件的很小区域时，因其他部位处于冷态，刚度大，因此工件几乎没有变形。

4.2 激光渗氮热处理
激光渗氮有两种形式：在渗氮介质作用下进行激光渗氮处理；激光预处理后再渗氮的综合处理工艺，即激光淬火-渗氮复合处理。

（1）激光渗氮
激光渗氮是将尿素涂于工件表面，在一定功率密度激光束辐照下进行渗氮。

如要使11Cr12Ni2W2V钢渗氮时获得最高的表面硬度与最大的渗层，推荐的尿素用量为550~620 g/m2，连续激光功率大于2.5 kW。

（2）激光淬火-渗氮复合处理
如对35CrMoA钢先进行激光预处理，然后进行气体渗氮。

渗氮介质为NH3。

渗氮工艺为530 ℃×10 h。

激光预处理可以细化渗氮层晶粒，再进行渗氮处理可使渗氮层表面硬度和深度增加，耐磨性能增强。

5 齿轮激光热处理设备
（1）激光设备配置
横流CO2激光器1台，专用配套冷水机组1套，数控加工机床1台，光路系统1套。

图2为HANSGS-RC 型齿轮激光热处理成套设备。

（2）技术指标
HANSGS-RC型齿轮激光热处理成套设备技术指标见表1。

（3）应用领域
用于矿山、冶金、港口、船舶、风能发电、工程车辆、重型机械等行业各类齿轮的表面激光硬化处理，尤其适合大型和特种齿轮的热处理，最大直径达3 m。

6 齿轮激光热处理的应用
6.1 某军工厂两个齿圈通过激光淬火使齿圈满足8级精度要求
齿圈1，采取圆周连续扫描方式，硬化层深度约
图2 HANSGS-RC型齿轮激光热处理成套设备
0.70 mm，硬度达57 HRC。

齿圈变形量测量结果：激光淬火直径变化量为+0.031~+0.12 mm，平均为+0.076 mm；激光淬火端面平面度在0.005 mm以内，其变化量为-0.01~+0.02 mm，平均为+0.001 7 mm。

因此，热变形极小。

齿圈2，采取轴向扫描方式，硬化层深度约0.8 mm，硬度＞58 HRC。

激光淬火直径变化量在-0.010~+0.057 mm，平均为+0.021 4 mm；激光淬火端面平面度在0.01 mm以内，其变化量为0~+0.005 mm，平均为+0.001 7 mm。

因此，说明该齿圈的齿轮精度保持了原加工精度。

6.2 30CrMnTi钢齿轮齿面通过激光淬火得到强化
30CrMnTi钢齿轮通过激光淬火，齿轮变形小，表面光洁、不需磨齿。

其淬火工艺参数见表2。

齿轮表层组织由索氏体转变为细密的针状马氏体，硬度在870 HV左右，硬化层深度0.6~0.7 mm。

齿面接触疲劳极限由淬火前的1 024 MPa提高至1 323 MPa，强化效果明显，而变频感应淬火齿面为1 303 MPa。

6.3 汽车零件的表面激光淬火
汽车工业中应用较多的是汽车零件的表面激光淬火，如汽车发动机气缸内壁、曲轴、气门座及汽车转向器壳体内表面、汽车转向器齿轮等。

试验证明，经激光表面处理的汽车零件，不仅畸变很小，而且零件
表面的耐磨性能和抗疲劳性能很高。

注：1 kcal=4.18 kJ。

6.4 激光热处理在风电齿轮箱大型内齿圈上的应用
内齿圈是风电齿轮箱的重要部件，目前多采用渗碳淬火进行内齿强化，但内齿直径在1 500 mm以上的大型内齿圈的热处理畸变仍很严重，定型工装的制作和后期的磨齿成本仍很高，也严重影响生产周期。

为此，有的工厂采用专用淬火机床进行内齿（材料为42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等）感应淬火，或采用大型氮化炉设备进行内齿渗氮等齿面强化。

有的公司采用激光淬火的方法进行齿面强化处理，如采用HANSGS-RC型齿轮激光热处理成套设备进行热处理。

激光淬火能够较好地解决齿根圆角的强化问题，
并且零件淬火后的变形程度也大大优于感应淬火；激
光淬火与感应淬火的抗冲击能力接近，数据离散性也小于感应淬火。

虽然激光淬火的硬化层深度也较浅，但比渗氮的渗层要深，齿面耐磨性能更高。

6.5 广州某公司激光热处理齿轮实例
例1，德国金属丝编织机用编织齿轮为非标准少齿数渐开线齿轮，齿体有开槽，齿轮材料原采用合金钢42CrMo4（渗氮处理），现改用45钢，齿面采用激光硬化处理，硬化层深度0.3 mm，硬度60 HRC，性能和质量完全达到进口齿轮水平。

例2，舰艇雷达传动内齿轮，其形状特殊，内圆外方。

由于采用常规热处理后齿轮的变形大，又无法磨齿，经多次试制和台架试验，均不能满足设计要求。

后采用激光处理，由于齿轮的变形极小，无需磨齿，台架试验完全达到设计要求，已安装在72条舰艇上正常使用。

例3，外齿套、花键齿套作为联接部件，其结构特点是壁薄、异型。

采用常规热处理后，其变形大、节圆椭圆度增加，严重影响啮合精度，因而多采用齿面不淬火，而是提高齿轮整体调质硬度（250~280 HBW）的办法，以保证形位公差和啮合精度，结果使用寿命低。

采用激光热处理技术后，外齿套、花键齿套的使用寿命均提高4~5倍。

例4，破石机齿轮工况恶劣，齿轮两齿面交换使用，齿面磨损严重（常达5 mm以上），使用寿命低。

采用激光处理后，齿面硬度可达58 HRC以上，使用寿命提高2倍以上。

例5，轧钢机减速机人字齿轮，材料为34CrNiMo钢，处理前硬度为300~320 HBW，使用寿命为1~1.5月。

经激光处理后，齿轮表面硬度为55~60 HRC，大大提高了疲劳强度和耐磨性能，使用寿命在6个月以上。

例6，常规热处理方法无法解决大型薄壁军用齿圈的变形与疲劳强度问题。

采用激光技术处理后，问题成功解决。

6.6 几种热处理技术经济指标对比
某精轧机机座减速箱低速轴齿轮，外圆Φ2 181 mm，齿宽520 mm，齿数105，法向模数20 mm，经渗碳淬火、中频感应淬火和激光淬火处理后的技术经济指标见表3。

由表3可知，同常规齿轮渗碳淬火及中频感应淬火相比，激光淬火不仅齿轮畸变小、加工
余量小、耗能低，而且生产成本低。

注：其中42CrMo齿轮经预先调质处理，硬度241~286 HBW。