齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺
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—031 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。
齿轮渗碳淬火热处理变形原因与改进技术
齿轮渗碳淬火热处理变形原因与改进技术摘要】齿轮是常见的机械零部件，其啮合传动力学在汽车、轮船等机械产品中广泛应用。
齿轮的重要作用不言而喻，但在齿轮的具体使用当中会存在齿轮失效的现象，此种现象的出现大部分是由于齿轮长期使用后磨损、折断所导致的。
齿轮的生产主要以渗碳淬火热处理的加工方式进行批量生产，但此种生产方式容易导致齿轮变形，不利于齿轮的批量成产与成本投入。
为保障齿轮的生产质量文章对齿轮渗碳淬火热处理技术进行分析，找寻齿轮变形原因并提出相关的改进措施，以供行业参考。
【关键词】渗碳淬火热处理齿轮渗碳淬火是当下齿轮生产中的重要工艺流程，渗碳淬火能够使齿轮的耐磨性能更加稳定。
渗碳淬火属于热处理技术，其具体工作开展分为多种形式，但渗碳淬火过程较为复杂，导致齿轮在淬火后容易发生变形。
齿轮变形属于齿轮制作过程中的常见问题，极大的影响了齿轮的使用质量，齿轮在机械中应用广泛，如何提高齿轮质量，改进工作技术成为当下技术研究的重点。
一、齿轮及渗碳淬火热处理工艺分析1.1齿轮结构从大部分的齿轮结构来讲，齿轮的整体结构呈现对称性，其制作材料主要包含调质钢、渗碳钢、合金钢等多种材料，制作完成的齿轮中间多为空心、内外径较大、齿轮壁较薄，渗碳淬火需要进行高温加热，以此齿轮容易发生变形现象。
1.2渗碳淬火热处理工艺齿轮的渗碳淬火热处理工艺较为复杂，包含直接淬火低温回火、预冷直接淬火低温回火、一次加热淬火低温回火、渗碳后感应加热淬火低温回火等多种工艺。
以20CrMnTi齿轮为例，首先要将齿轮要放置在炉温为920℃的渗碳淬火炉中进行长达3小时的渗碳处理，其次将渗碳炉的温度调至860℃，在保持50分钟的恒温状态后进行淬火出炉。
最后，使用淬火液处理，进行2小时的低温回火，在低温回火的过程中回火炉的温度应当保持在160℃。
在进行渗碳淬火热处理时，要注意四只齿轮在全过程当中要保持平放状态。
1.3齿轮渗碳淬火热处理后导致变形的因素在齿轮进行渗碳淬火热处理前后分别对齿轮的直径、公法线进行测量，发现在经过热工艺处理后，齿轮的内外直径与公法线均发生了变化。
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。
齿轮井式炉渗碳淬火
齿轮井式炉渗碳淬火
齿轮井式炉渗碳淬火，是一种广泛应用于金属材料加工领域的热处理技术。
这种技术以其高效、高质、高精度的特点，成为诸多金属加工企业中的常规使用技术。
在齿轮井式炉渗碳淬火技术中，炉子中的工件会先进行酸洗、清洗等预处理工序，在加热至适当温度后，会向熔融的淬火渗碳介质中进行浸泡处理，再进行冷却。
这种处理方式可以使工件表面产生一层高硬度、高耐磨的淬硬层，提升工件的使用寿命和性能。
与传统的热处理技术相比，齿轮井式炉渗碳淬火技术有以下优势：
1. 高处理效率，可以在短时间内完成处理。
2. 处理后的工件表面硬度高，耐磨性能好，可以提升工件使用寿命。
3. 处理精度高，可以满足高精度要求的工件热处理需求。
4. 渗碳过程中不会产生氧化，不会对工件表面造成污染和损伤。
5. 渗碳液的再生利用率高，可以降低处理成本。
总之，齿轮井式炉渗碳淬火技术在金属材料加工领域中有着广泛的应用前景，可以提升金属材料的使用性能和寿命，同时也具有高效、高精度等优点。
关于激光淬火技术在汽车变速箱齿轮上的应用
在齿轮运作 中，产生最大剪应力 的位置直接影响着齿 面点蚀的起源 深度和裂纹 的方 向， 齿面表层下最大剪应力 Ｚ ４ ５ 。ｍ ａ ｘ 值 的大小是材料发 生剪切破坏的主要原 因。在啮合齿面上 ，单元受力体上所受的应力主要 来源于传递载荷受 到的垂直于齿面的正压力 １和表面的残余压应力 ａ
加热的速度快 ，会形成一个局部的 “ 加热层” ， 在这个 “ 加热层”中，温 度从表面到内部呈明显下 降的分布状态 。当激光加 热结束时 ，材料的内
部与表面的温差极大 ， 此 时的材料除 “ 加热层”外就相 当于是一个天然 的“ 冷却介质” ， 冷却是 由内及表 的， “ 加热层” 里层温度低 ， 但靠近 “ 冷 却介质” ，冷却速度快 ， 反之表层离 “ 冷却介质”较远 ，冷却的速度慢 ， 也即是材料此时冷却 的速度值 由表及里是呈梯度上升 的，而在加热和冷 却的双重作用下 ， 材料硬化层的硬化值会保 持基本平稳 ，且不易产生变 形 。因此经激光 淬火 的齿轮表面硬度的分布较为均匀 ，而芯部 由于没有 被加热到而保持材料 的初始硬度 ，这就形成 了表面硬度高 ，芯部韧性好
关于激光淬火技术在汽车变速箱齿轮上的应用
杨 静 辽 宁工程职 业学院 辽 宁 铁岭
１ １ ２ ０ ０ ８
【 摘 要】 作 为汽车传动 系统 中一个重要组成部分 ，齿轮是 实现动力传递和运动传递的基础 ，因此 汽车 变速 箱齿轮热处理 工艺一直是人们研 究的热 点。传统的渗碳淬火 、高频 感应 淬火等 已经不能满足现代汽车的需要 ，于是激 光淬 火技 术被 引用 来作 为变速 箱齿轮 的热处理 工艺并得到 了良好的效 果。本文在试验研 究的基础 上，分析 了激光淬火技术的作用机理 ，并对其提 高齿轮疲劳寿命和耐磨性的深层原 因进行 了阐述。 【 关键 词】激光 淬火 马氏体 疲劳 寿命 硬化带
齿轮激光淬火工艺及性能研究
２ ２ 月 ０ 年９ ０
农 业 机 械 学 报
第３卷第５ ３ 期
齿 轮 激 光 淬 火 工 艺 及 性 能 研 究
＊
周 建 忠
杨继 昌
【 要 】 采 用 快 速 轴 流 Ｃ 激 光 器 的 低 阶 光 束 模 式 和 轴 向分 齿 扫 描 方 式 ， 一 次 扫 描 整 个 齿 廓 ， 获 得 沿 齿 摘 Ｏ 可 并 廓 理 想 分 布 的 硬 化 带 形 状 。在 优 化 工 艺 参 数 的 基 础 上 ， ２Ｃ Ｍ ｎ ｉ 轮 进 行 激 光 淬 火 ， 理 结 果 为 ： 面 为 细 针 对 ０ｒ Ｔ 齿 处 表 状 马 氏 体 组 织 ， 度 为 ＨＲ １ 硬 化 层 深 为 ０ ６ＩＩ ， 硬 化 层 深 度 上 的 硬 度 分 布 几 乎 无 变 化 梯 度 ， 有 效 地 提 高 硬 Ｃ６ ， ． ＩＩ且 ＴＴ 可 齿 轮 的 耐 磨性 和 接 触 疲 劳 强 度 。齿 面 的 激 光 淬 火 解 决 了 常 规 齿 轮 渗 碳 工 艺 中 存 在 的 变 形 难 题 ， 省去 后 面 的 磨 齿 可 工 序 ， 低生产 成本 。 降 叙词 ： 轮 齿 激光 淬火 扫描 硬 度
ｏ ｈ ｒ ｃ ｓ ｅ ｅ ｏ ｔｍ ｉｅ Ｏ ｍａ ｅ ｔ ｅ ｇ ａ ｏ ｓ ｓ ｕ ｆ ｃ ａ ｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｗ ｒ ｐ ｉ ｚ ｄ ｔ ｋ ｈ ｅ ｒ ｐ ｓ ｅ ｓ ａ ｓ ｒ ａ ｅ ｈ ｒ ｎ ｓ ｆ ＨＲＣ６ ， ａ ｄ ａ １ ｎ ｎ
ｕｎｉｏｒ ｔ ｓ ｒ ｂｕ ｉ ａ ｄ ｎ ｄ ｌ ｙｅ ｆ ｍｉｙ ｄｉ ｔ ｉ ｔｎｇ ｈ ｒ ｅ ｅ ａ ｒ ０．６ ｍ ｍ ｎ ｄ ｐｔ ｉ ｅ ｈ．Ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ ａ ｉ ｕｌ ｒ ｍ ａ ｔ ｎ ｉｅ ｗａ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｃｃ ａ ｒｅ ｓｔ ｓ ｏｂ ａ ｎｅ ｉ ｔ ｓ ｕ ｆ ｃ ｌ ｙ ｒ， Ｓ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｔ ｎ ｅ ｔ ｉ ｄ ｎ ｈｉ ｓ ｒ ａ ｅ ａ ｅ Ｏ ｈｅ ａ ｒ ｓｓ ａ ｃ ｐｒ ｐｅ ｔｅ ａ ｃ ｏ ｒ ｉ ｓ ｎｄ ｏｎｔ ｃ ｆ ｔｇｕｅ ｉｅ ａ ｔ ａ ｉ ｌｆ ｏｆ ２ Ｃｒ ｎＴｉｇｅ ｒ ｃ ｕｌ ｅ ｉ ｐｒ ｖ ｄ． Ｔｈ ｅ ｕｌｓ ｈｏ ｄ ｔ ｔ ｕ ｉ ａ ｅ ｅｎ ｈｉ ｆ ｇｅ ｒ ａ ０ Ｍ ａ ｏ ｄ ｂ ｍ ｏｅ ｅ ｒ ｓ ｔ ｓ ｗｅ ｈａ ｓ ｎｇ ｌ ｓ ｒ ｑｕ ｃ ｎｇ ｏ ａ ｓ ｃ ｎ ｎｏ ｎｌ ｍ ｐｒ ｖｅ ｐｒ ｔｏ ｙ ｉ ｏ ｏｄｕ ｔｖ ｔ ｎｄ ｒ ｄｕｃ ｏ ｔｂｕｔ ａ ｓ ｅ ｌ ｃ ｈｅ ｔ ａ ｉｉ ａ ａ ｅ ｈａ ｄｅ ｎｇ ｆ ｒ ｃ ｉ ｉｙ ａ ｅ ｅ ｃ ｓ ｌ ｏ ｒ ｐ ａ ｅ ｔ ｒ ｄ ｔｏｎ ｌｃ ｓ ｒ ｎｉ ｏ ｓ ｍｅ ｅ ｒ ｏｆ ｏ ｇ ａ ｓ ｐａ ｔｃ ｌ ｍ ａ ｅ ｉ １ Ｌａ ｅ ｈａ ｄｅ ｉ ｔ ｃ ｉ ｕｅ ｆ ｒ ｉ ｕ ａｒ ｔｒａ． ｓｒ ｒ ｎ ｎｇ ｅ ｈｎ ｑ ｏ ｇｅ ｒ ｏｏ ｈ ａ ｔ ｔ ｈａ ａ ｉ ｉｉ ａ ｔ ｓ ｓ ｇｎ ｆｃ ｎ ａ ｌｃ ｔｏ ｎ ｉ ｄｕｓ ｒ ａ ｒ ｄｕ ｔｏｎ． ｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｉｌ ｐ ｏ ｃ ｉ Ｋｅ ｒ Ｇｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ｓ，Ｌａ ｅ ｒ ｅ ｎｇ，Ｓｃ ｎｎｉ ｓ ｒ ｈａ ｄ ｎｉ ａ ｎｇ，Ｈａ ｄｎｅ ｓ ｒ ｓ
激光表面淬火的应用
激光表面淬火在模具制造业中的应用
3、经激光热处理的 GCr15,轴承钢中的位错密度很高 ,而在残留奥氏体中也有同 样的位错密度,因此,激光淬火能获得超高硬度。
4、对W18Cr4V高速钢进行激光表面淬火,相变硬化层的硬度峰值为HV946,红硬性 比常规淬火高出 80度,经640度回火后硬度峰值达 HV1003，耐磨性比常规热处理
激光表面淬火的应用 5
应用案例
1）发动机缸体（缸套）表面淬火，热轧钢板剪切机刃口淬火，与可 使缸体耐磨性提高同等未处理的刃口相比寿命提高一倍左右； 2）钢坯切割锯片齿部淬火，65Mn材料表面硬度达50HRC；
激光表面淬火的应用 5
应用案例
3）机床导轨淬火，大幅度提高表面硬度和耐磨性； 4）齿轮齿面淬火，提高接触疲劳强度及耐磨性； 5）发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火； 6）各种刀具刃口激光淬火。
激光表面淬火在模具制造业中的应用
激光表面热处理是一种周期短，无污染，无噪声的绿色热处理工艺，为提高 模具使用寿命创造了有利条件，并取得了较为可观的经济效益。 1）10钢激光淬火，其表面硬度大幅度提高，可以达到HV700，而常规
淬火的低碳马氏体硬度只有380HV；
2）对Cr12模具钢进行激光淬火，晶粒明显细化，经金相分析，该 材料原始组织的晶粒度为12级，而经激光淬火硬化后为15级；
提高1～2.8倍，刀具的切削性能提高2倍以上。
课程小结
1.激光表面淬火的优势。 2.激光表面淬火的应用很广泛。
作业布置
1、激光表面淬火有什么优势？ 作业 2、简述激光表面淬火的应用。
感谢您的观看！
大型齿轮的激光表面淬火
1
激光表面淬火的应用 2
激光表面淬火特别适合高精度要求零件的表面热处理。
激光表面处理技术
常规淬火硬度高5%~20%, 可获得极细的硬 化层组织。
( 3) 由于激光加热速度快, 因而热影响区小, 淬火应力及变形小。一股认为激光淬火处理几乎不产生变形, 而且相变硬化可以使表面产生大于4 000 MPa 的压应力, 有助 于提高零件的疲劳强度; 但厚度小于5mm 的零件其变形仍不 可忽视。
激光表面熔敷
激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金 粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化, 光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。
激光表面熔敷特点
( 1) 冷却速度快(高达106 K/s)，组织具有快 速
凝固的典型特征； ( 2) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一
般 小于5%)，与基体呈冶金结合；
激光表面处理技术优 点
( 5) 通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理 较厚的板材；
( 6) 由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的 安全，因此要致力于发展安全设施。
激光表面处理技术
美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载 齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 ----飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后 研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。 ----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比 氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过 10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优 良，几乎无变形。
下优点:
激光表面处理技术优 点
( 1) 能量传递方便，可以对被处理工件表面有 选择的局部强化；
( 2) 能量作用集中，加工时间短，热影响区小， 激光处理后，工件变形小；
激光表面处理技术优 点
( 3) 处理表面形状复杂的工件，而且容易实 现自动化生产线；
齿轮激光淬火工艺
齿轮激光淬火工艺
齿轮激光淬火工艺是一种利用激光进行金属齿轮表面淬火的技术。
在齿轮制造过程中，为了增加其硬度和耐磨性，常常需要对其表面进行淬火处理，以提高齿轮的使用寿命和工作效率。
传统的齿轮淬火通常采用火焰或电阻加热的方式，但这些方法存在着加热不均匀、工艺复杂、周期长等问题。
而齿轮激光淬火工艺采用激光束对齿轮表面进行快速加热，然后通过淬火介质的冷却作用，使其迅速冷却，达到淬火硬化的效果。
激光淬火具有加热速度快、加热均匀、控制精度高等优点。
同时，由于激光束的直线性和聚焦性，可以实现齿轮的局部淬火，避免对整个齿轮进行淬火处理，从而减少了工艺周期和能耗。
齿轮激光淬火工艺的关键是选择合适的激光功率和加热时间，以及控制淬火介质的冷却速度。
通过合理的工艺参数选择和控制，可以获得硬度均匀、变形小、表面质量好的淬火效果。
同时，激光淬火工艺还可以结合其他表面处理技术，如激光淬火后的回火处理，进一步提高齿轮表面的硬度和强度。
齿轮激光淬火工艺在机械制造领域应用广泛，特别适用于大型齿轮等复杂形状的淬火处理。
随着激光技术的不断发展和进步，齿轮激光淬火工艺将在未来得到进一步的应用和推广。
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺应用
sin arccos
式中: 渐开线上 点的极径，ω为齿轮转动角速度。
如图随着激光束从齿顶到齿根移动，速度不断减小，这就可能发生齿顶与齿 根温差巨大的现象。故此，应该使扫描速度变化，使得齿顶齿根处的实际扫 描速度基本保持恒定，通过编程对其扫描速度进行改变。 c) 激光入射角
激光淬火与传统表面淬火方法的比较
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺
硬化层形成机理 激光淬火过程中存在热传导、热对流和热辐射过程。齿轮的激光淬 火过程，加热区可以分为上、中、下三层，上层为高温表层，中层 为过渡层，下层为冷基体。显然，冷却从下层向上层逐级进行，且 冷却速度越来越慢，随着此温度梯度分布的马氏体含量也不同，这 和常规淬火方式的冷却方向恰恰相反
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺应用
淬火是将钢材加热到临界温度Ac 以上温度，使之奥氏体化，然后以大于临 界冷却速度的速度冷却到 以下(或 附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的 热处理工艺。激光淬火又称为激光相变硬化,激光淬火是将传统热源改为激光加 热。尽管目前激光表面淬火技术的应用还不及传统热处理技术那样广泛和成熟, 但由于其具有的独特优越性, 正日益受到人们的重视。
单光束螺旋扫描 单光束螺旋扫描示意如下图所示，加工时激光光斑照射在齿面齿宽 方向的一端并保持位置不变，齿轮安装在主轴上作回转运动，同时 工作台带动齿轮作轴向进给运动( 提供沿齿宽方向的激光淬火带搭 接宽度) ，最后得到的扫描轨迹就是带有搭接的螺旋带
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火示意图
工艺参数
a) 齿轮偏置量
基体自淬火要求。因此应增加辅助冷却措施，加速轮齿冷却速度，使其迅速 达到临界值。同时，辅助冷却也能减弱二次回火现象，确保获得良好的硬化 效果，可根据实际生产需求设计。
齿轮的激光热处理技术与应用
５ 齿轮激光热处理设备
（ 激 光设 备配 置 １） 横 流ＣＯ 激 光器 １ ，专 用配 套冷 水机 组 １ ，数 台 套
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
控 加 工机 床 １ ，光 路 系统 １ 。 图２ Ａ Ｓ Ｓ Ｒ 台 套 为Ｈ Ｎ Ｇ — Ｃ
合物 ，表面 硬度 为６ ０ ８ ０Ｈ ５ — ０ Ｖ。 Ｃ． 金 结 构 钢 、 中 碳 合 金 结 构 钢 如 ４０Ｃｒ 合 、
（ 激光渗氮 １） 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 １ ｒ２ ２ ２ 钢 Ｃ ｌ ＮｉＷ Ｖ １
４ Ｃ ＮＭｏ ，第 一层 表 层 为完 全 淬硬 层 ，由隐 晶 马 ０ ｉ 等 ｒ 氏体 ＋ 少量 残 余奥 氏体组 成 ；第 二 层过 渡 层 为马 氏体
＋ 化 物 组成 ；第三 层 为高 温 回火 区 ，由回 火 索 氏体 碳 组成 。硬 化层 硬度 为６ ０ ７ ０Ｈ 。 ７ — ８ Ｖ
２ １年第４ ０ ２ 期
汽车 ｑ艺与材料 Ａ＆ ｛ １ － ＴＭ ５
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 ～ ． １ ｍｍ。对于 ４ ｌ ２
低碳钢 、低碳合金钢 ，淬火硬度可；．０Ｈ Ｃ １４ Ｒ 左右 ；对于 ２ ￣ 中碳钢 （ ５ ） 如４ 钢 表面淬火硬度可达５ Ｒ 左右。 ７Ｈ Ｃ 激 光 淬 火 加 热 速 度 极 高 （可 达 １ ０ ℃／ 以 ０ ０ ｓ 上 ），相 变温度停 留时 间不到０ １Ｓ ． ，因此热 影 响区很
齿轮的激光相变强化处理
电彩工其２００９（１）齿轮的激光朔变强化处理齿轮的激光相变强化处理吴凯令车丽晶（｝：海理工大学机械工程学院２０００９３）摘要介绍齿轮的激光相变强化处理的特点、原理、效果及工艺。
关键词齿轮表面激光热处理引言激光技术是２０世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一。
应用激光对齿轮表面实施处理是一门新的技术。
激光表面热处理对提高齿轮的力学性能有其独特效果，其性能主要表现为：加热、冷却速度很快，不需要外部淬火介质，具有工件变形小、硬度分布均匀的特点……齿轮是机械传动系统中的重要部件，在传动系统中起者传递动力及改变速度和方向的作用。
因此，它们工作时的受力和运动情况是十分复杂的，由此产生的损伤形式也是多样。
较常见的、后果较严重的损伤有３种：点蚀、断齿和破坏性胶合。
电动工具行业使用的一些小模数齿轮，由于它们的转速较高，极易在工作中产生疲劳、断齿等现象。
所以，这类齿轮应具有高的抗弯曲疲劳强度，心部要有高的耐冲击韧性，表面要有高硬度、高耐磨性和一定的抗腐蚀性。
目前国内外大多采用常规热处理的方法来获得硬齿面齿轮，如高频淬火、中频淬火、渗碳＋淬火、渗氮等。
但这些办法存在着硬化层分布不均匀，硬度变化梯度大，或者变形大等缺陷。
齿轮的激光相变强化处理的技术由此应运而生。
应用激光对齿轮表面实施处理是一门新的技术。
激光表面热处理技术对提高齿轮的力学性能具有独特效果。
１齿轮的激光相变强化处理的特点采用激光淬火齿面，其加热、冷却速度很一】０一快，不需要外部淬火介质。
激光热处理可以使齿轮获得比常规热处理更高的表面硬度及硬度分布均匀的相变硬化层，具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工工序的特点。
激光相变后，在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善齿轮材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高其耐磨、耐蚀、耐冲击和耐疲劳等性能。
这种工艺可以满足各种不同的使用要求，能方便地实现局部表面的选择性处理。
同时，齿面的激光淬火解决了常规齿轮渗碳淬火工艺中存在的变形难题，可省去后面的磨齿工序，降低生产成本。
齿轮激光淬火工艺的研究
齿轮激光淬火工艺的研究近年来，齿轮激光淬火工艺已经受到广泛关注。
它不仅能够改善传统的淬火工艺所具有的缺陷，而且还是一种新的淬火技术，对于柔性制动器，减速箱或变速器的齿轮传动系统具有重要的意义。
本文将综述齿轮激光淬火工艺的发展趋势，着重讨论其的研究和应用。
一、齿轮激光淬火工艺的发展趋势1. 工艺进步：传统的淬火方法已经被新技术所取代，如激光淬火、等离子体淬火等，有效提升了工艺效率和质量。
2. 技术融合：结合实际应用需求，已经开始融合机械制造工艺、电子控制工程、计算机可视化等技术，来实现更加精确的加工。
3. 系统集成：已开始利用激光焊接、激光切割和自动质量检测等技术，实现从原料加工到装配系统量产的集成化加工工艺。
4. 智能测试：智能化技术将带来更全面、更可靠的性能测试方法，使检测问题变得更加容易。
二、齿轮激光淬火研究1. 激光淬火模拟：利用有限元方法、随机抽样技术、热处理性能模拟及部件结构优化研究，提高激光淬火的理论模型，预估激光淬火工艺的参数设置。
2. 激光淬火生产：考虑到生产中工程师的操作水平和生产环境的不确定因素，例如工件的大小、激光的能量、焦点及焦点距离，以及工艺参数的调节，进行激光淬火的实时监控。
3. 激光淬火优化：采用数学优化算法进行激光脉冲能量、焦点距离、材料性能参数、淬火温度以及淬火时间等参数之间的关系，从而优化激光淬火工艺变量。
三、齿轮激光淬火工艺应用1. 对于小型齿轮:利用激光淬火工艺可以实现复杂结构的零件，如蜗轮蜗杆传动系统、齿轮轴和柔性联轴器的小型化齿轮。
2. 对于复杂齿轮：利用激光淬火工艺可以实现复杂齿轮。
不仅能够改善传统淬火方法所存在的缺陷，而且还可以达到更高的齿轮精度、更小的磨损平衡。
3. 对于高温齿轮：通过激光淬火技术，可以在高温环境下提高齿轮的耐热性，从而提高其稳定性和可靠性。
四、结论本文介绍了齿轮激光淬火工艺的发展趋势，研究和应用。
研究表明，激光淬火工艺可以有效改进传统的淬火工艺，提供更高的生产效率和质量，并可实现智能测试和集成加工，是改善齿轮传动系统性能的有效手段。
齿轮激光淬火
齿轮(伞齿,锥齿)激光淬火我推荐一个齿轮硬化新选择——激光淬火为了解决齿轮的变形，在热处理工艺方法上可以起到一定效果，但效果都不大。
如果换一种方法，如：采用激光淬火，变形非常小，圆周椭圆度约1~2丝；齿形就更小，μ级。
如果在常规方法中，遇到问题；如：担心超差，磨齿困难，磨齿成本高等，可以考虑激光淬火的办法。
我做很多年激光淬火；齿轮方面做过人齿，螺旋齿，齿圈等很难处理的异形齿轮；淬火后都不用磨齿，直接安装。
激光处理变形很小,可以免磨削工序.6级以上的齿轮需要磨削,也主要是表面光洁度的要求而已.说到成本,当然激光主要是逐齿扫描,效率比整体处理的装炉或全部齿一起做小很多.具体来说,就是激光束用数控机床控制扫描的路径,光束照射的部位就实现了淬火,很简单.环保的.打比方说,激光束就像刀具,用机床带动加工需要的齿面.这种方法主要用在:1技术要求高(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等);2性能要求高(表面硬度高,表面残余压应力要求高,齿根层深需要控制)3心部性能要求较低,而要降低成本,降低生产周期(相对渗碳+磨齿)4炉子限制,无法硬化的齿轮(超大齿轮2~6米以上)5火焰等表面淬火硬度不均等的情况对于硬度要求HRC58~62,可以用中碳合金钢代替,调质+精铣齿+激光淬火就OK.如果觉得改材料,工艺改动太大,可以采用渗碳(不淬火)+精铣齿+激光淬火.都不用磨齿. 当然,这样大的改工艺不能盲目,要根据你齿轮的结构和工况,做性能校核,比如关键的:计算齿轮齿面接触面最大剪引力深度,齿轮面接触疲劳强度,弯曲疲劳强度等等我们对于小批量做加工.至于设备,我们公司就做设备呀,除了通用机外可以做外,还有给某军工企业做大齿圈的专用激光淬火机床等案例.这里简述一下,主设备是激光器,一般用3~5千瓦的大功率激光器,其他主要设备是数控机床和导光器.设备基本运行机理:激光器产生激光束(特定),通过导光器传输到工件表面,用数控机床控制扫描速度和位置,实现淬火工艺.对比一下,常规方法处理直径为1000mm左右的齿轮渗碳淬火后椭圆最大到1.5mm,端面翘曲最大到1.6mm,齿顶锥度最大到0.8mm.这些都需要在留量上解决."对于这样的情况,激光淬火的变形可以忽略的.比如:椭圆度和翘曲度约小于1.5丝,齿向误差小于5μ.两种方法变形量相差约100倍。
激光淬火齿轮和渗碳淬火齿轮X射线衍射分析
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ０ Ｎ ｉ ｏ ｓ ｅ ｌｌ ｓ ｒ ｈａ ｄｅ ｅ ｈｎｉ ｕ ｔａ ｔ ｓ ｄ ｏｎ ４ Ｃｒ Ｍ Ａ ｔ ｅ ａ ｅ ｒ ｎ ｔ ｃ ｑ ｅ，ａ ｄ ａ ｖｅ ｙ ｄｉｔ ｉ ｔ ｄ ｈａ ｄｅ ａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｌｅ ｎｌ ｓ ｒｂｕ ｅ ｒ ｎ ｌ ｙ ｒ ｉ ｂ ａ ｎ ｄ ａ ｏ ｈｅ ｇ ａ ｈｒ ｕｇ ｈｅ ｌ ｓ ｒ ｈｅ ｔ ｐ ｏ ｅ ｓｎｇ ｔ ｃ ｉ ｅ Ｔｈｅ Ｘ—ａ ｎａ ｙ ｉ ｓ ｃ ｒ ｉ ｄ ｓ ｏ ｔ ｉ ｅ ｌ ｎｇ ｔ ｅ ｒ ｔ ｏ ｈ ｔ ａ ｅ ａ — ｒ ｃ ｓ ｉ ｅ ｈｎ ｑｕ ． ｒ ｙ ａ ｌ ｓｓ ｉ ａ ｒｅ
关键词 ：齿轮 ；激光 淬 火 ；渗碳 淬火 ； 射线衍 射分析 Ｘ
中图分 类号 ： ＴＨ１ ０ ７ ４ ． 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：１ ０ —９ ９ ２ ０ ）２０ ８ —４ ０ ６２ ３ （０ ７ ０ — １ ７０
Ｘ－ａ ｆｒ ｃ ｉ ｎ ｃ ｍ ｐ ｉｏ ｔ ｄｉｓ ｂ ｔ ｅ ｈ ａ ｅ ｒ ｙ ｄｉ ａ ｔｏ ｏ ｆ ａｒｓ ｎ ｓ ｕ ｅ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｌｓ ｒ ｈ ｒ ｅ ｅ ｅａ ｎ ａ ｂ ｒｚ ｄ ｇｅ ｒ ａ ｄ ｎ ｄ ｇ ｒａ ｄ ｃ ｒ ｕ ｅ ａ ｉ
轮（ ０ ｒ Ｍｏ 进行 了齿轮 Ｘ射 线衍 射分 析。试 验表 明 ， ４ Ｃ Ｎｉ Ａ） 激光 淬火齿 轮 淬硬 层 中微 晶尺 寸 明 显小 于渗碳 淬 火齿 轮 的微 晶尺 寸 ， 光 淬火齿 轮淬硬 层 的残余 奥 氏体 含 量 较高 ， 激 而其位 错 密度 比渗碳 淬 火齿轮 高 一个 数量 级 。从 不 同角度 证 实 了激 光 淬火齿 轮接 触疲 劳 强度高 于渗 碳淬 火 齿轮接 触疲 劳 强度 。
齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺
齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺周建忠张永康杨继昌毕瑞陈奉斌摘要：齿轮表面质量的好坏直接影响传动部件的质量和寿命，为此需对齿轮表面进行强化处理，传统的处理方法如渗碳等存在着诸如变形较大,硬化层沿齿廓分布不均等缺陷，从而影响齿轮的使用寿命.通过分析可替代常规齿轮渗碳淬火的激光齿面淬火新技术研究的意义及经济价值，着重讨论了齿面激光淬火的关键技术——表面预处理涂层与方法、激光扫描方式.比较了激光淬火与渗碳工艺的硬度、硬化层深度及抗点蚀疲劳性能等重要指标.结果表明：采用激光淬火齿面技术不仅能提高生产率，降低成本，而且对于某些材料的齿轮完全能代替渗碳淬火工艺.关键词：齿轮；激光淬火；扫描；硬化层中图分类号：TN249；TG156.3 文献标识码：A 文章编号：1007-1741(2000)02-0039-05A New Technology of Laser Transformation HardeningReplacing the Present Method of Gear Case HardeningZHOU Jian-zhong, ZHANG Yong-kang, YANG Ji-chang (School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)BI Rui, CHEN Feng-bin(Technological Center,No.1 Tractor Group of China, Luoyang,Henan 471039,China)Abstract:It is necessary that the tooth surface of gear be handled because its quality affects the serve life of transmission part directly, but there is so serious distortion with traditional case hardening that the life of gear might be shortened . In this paper, a new technology of laser transformation hardening which could replace the present method of gear case hardening is introduced. Its significant and economic value are analyzed. The key techniques of laser transformation hardening gear , such as surface pretreatment coating and its methods, laser scanning pattern, are discussed in detail. A comparison between laser transformation hardening and case hardening process is made concerning the important parameters in hardness, depth of hardened layer and contact fatigue strength. The results show that using laser quenching of gears can not only improve productivity and reduce cost but also replace the traditional case hardening for some gears which were made of particular materials.Key words： gear; laser transformation hardening; scanning; hardened layer1 国内外研究现状齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件.为了提高齿轮的承载能力，需对齿轮进行表面硬化处理.而传统的齿轮硬化处理工艺，如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等存在两个主要问题：即热处理后变形较大和不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层，从而影响齿轮的使用寿命.激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化.采用激光淬火齿面，其加热冷却速度很高，工艺周期短，不需要外部淬火介质.具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工，且被处理齿轮尺寸不受热处理设备尺寸的限制等独特优点.早在1980年，美国军事技术研究实验处的应用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过一个广播节目报道，并由芝加哥伊利诺理工学院研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目.该所的Altegott 同贝尔飞机制造公司的 Patel 合作发表了一篇题为《直齿圆柱齿轮激光表面硬化MM&T》的论文，公布了实验结果：对激光表面硬化处理后和经渗碳处理后的AMS（美国航空材料规范）6265正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度的比较表明，激光硬化代替渗碳处理在航空器件中的AMS6265齿轮能得到显著的经济效果，有效硬化深度为0.66～0.86mm，单件成本降低了37%～78%［1］.八十年代末，美国加州机电研究所的James F Lewis 用5kW 激光器对大型花键轴进行激光淬火，在扫描速度4.32～7.62mm/s，光斑直径6.35～7.62mm的条件下，获得淬火硬度HRC59，深度0.762～0.864mm 的淬硬层［2］.美国军方研究所用激光淬火潜水艇、飞机等重载大齿轮，解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪音问题.激光淬火的齿轮包括AH －64直升机辅助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动齿轮.由于激光硬化后不需要研磨，故可大大降低生产成本，提高生产率［3］.相对而言，国内在这方面的研究起步较晚，远未达到能够工业化应用的程度，究其原因主要有以下几点：①由于历史原因，我国激光器及零部件生产水平较低,激光器是一种集光、机、电等多种学科和技术于一体的高科技产品.在我国现有的工业水平上，元器件的生产不过关，导致激光器光学模式不好，稳定性和可靠性不高，不能满足工厂条件下长期稳定地工作，而进口激光器又价格昂贵;②由于激光加工涉及到多种学科，国内缺乏一批高水平的技术力量对激光加工工艺进行综合研究，并且对激光设备二次开发的研究也得不到深入，工业界难以看到激光加工的优越性；③激光加工设备的费用一次性投入较大，多数单位对其带来的经济效益认识不足，致使在使用时较为谨慎；④国内多数企业对传统热处理工艺带来的工业污染和环境保护不够重视，而对激光淬火这门清洁工艺的优越性认识不足.目前，国内从事这方面研究的有长春光学精密机械学院、天津纺织工学院和上海海运学院等单位，分别就齿轮激光、淬火的激光扫描方式、机理及工艺参数优化等技术进行了研究，并取得了一定的成果.这些单位所开展的齿轮激光淬火研究工作所采用的齿轮模数一般较大(m>=5)，且由于实际生产中所采用的激光导光系统和预处理涂层等的不同导致在实验室里得出的工艺参数很难直接在实际批量生产中应用，即加工工艺参数的可移植性丧失. 因而研究成果在实用性方面还有不小的差距［4～10］.2 齿轮激光淬火工艺2.1 表面预处理涂层与方法为了提高金属表面对激光的吸收率,在激光热处理前要对材料表面进行表面处理(常称黑化处理)，即在需要激光处理的金属表面涂上一层对激光有较高吸收能力的涂料.表面预处理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷(刷)涂料法、镀膜法等多种方法，其中较为常用的是磷化法和喷(刷)涂料法.对于磷化法,主要研究磷化溶液成分和温度等参数的不同所形成的磷化膜对激光吸收率的不同情况，而喷(刷)涂料法主要是研究具有特定配方的涂料.常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸锰、磷酸锌、水玻璃等.也有直接使用碳素墨汁和无光漆作为预处理涂料的.象上海光机所研制的黑化溶液(86-1型)处理方法简单,可直接喷刷在表面,激光吸收率达90%以上.而北京朝阳五通激光技术有限公司研制的新型金属化合物涂料对波长为10.6μm的激光有明显的吸收作用,能以较小的功率进行激光热处理.对于有些低碳钢材料，在其表面用炭黑粉末处理, 在进行激光淬火时可起渗碳作用.2.2 激光扫描方式2.2.1 周向连续螺旋扫描周向连续螺旋扫描方法是采用光束垂直于齿轮轴线,齿轮连续转动,激光束(或齿轮)轴向移动,在齿面上形成螺旋状间隔硬化带，如图1.周向扫描时各点入射光线不平行,亦即与齿轮对称轴夹角处处不等.在扫描齿面时,激光束将受到相邻齿轮的干涉.因此,正确选择激光束的起始位置十分重要,它对于入射角和扫描速度的大小及变化情况有重大的影响.激光束的入射角和扫描速度一般由式(1)和式(2)［9］表达为θk =arcsin (rb/rk)-arcsin (e/rk) (1)vt=ωrb(tgαk+tgθk) (2)图1 周向连续扫描［10］Fig.1 Circumference continuous scanning［10］式中rb——齿轮基圆半径rk——轮齿齿廓上各点对应的半径e——偏心距,取决于激光束的起始位置ω——齿轮回转速度αk——齿轮压力角由上式可知,激光束从基圆到顶圆入射角由大变小,扫描速度也是由大变小.而齿轮激光淬火的硬化层深与激光功率、光斑尺寸、扫描速度及入射角有关.其关系可用式（3）表示［9,11］为H∝［P/(D.v)1/2］(1-θk /θ) (3)对于连续扫描方式,由于D、v、θ在扫描过程中是变化的,其综合影响硬化层深,结果是齿顶部分层深大于齿根部分层深.因此在同一激光参数条件下,可能导致齿面已淬硬,表面无微熔,而齿顶却发生了较严重的熔融现象.综上所述,采用周向连续激光扫描淬火齿轮时,由于激光参数从齿根到齿顶变化呈迭加影响作用,因而不适合于大模数齿轮,一般适合于中小模数齿轮.2.2.2 轴向分齿扫描齿轮激光淬火轴向分齿扫描是利用宽带激光束对齿轮进行激光淬火的扫描方法.宽带激光束扫描常采用多束光组成一宽带,激光束沿齿轮轴向移动扫描,一次可扫描1(或2)个齿面.利用分齿运动转动1个齿距后激光束再扫描另外1个齿面,这样逐个进行扫描直至扫完整个齿轮的所有齿面.例如美国芝加哥IIT研究所对直升飞机齿轮采用4束光叠加进行扫描淬火，获得理想的效果.采用多束光叠加会导致光路系统的复杂，因此国内的研究大多采用单束宽带激光对齿面进行扫描，1次或2次扫描1个齿面,逐一分齿,当齿轮转动1圈后,完成整个齿轮同一侧齿面的淬火工作.然后移动激光束（或齿轮）位置,用同样方法完成齿轮的另一侧齿面的淬火过程，如图2.由于激光器功率和光斑形状的限制,在进行大模数齿轮激光淬火时,齿面往往要经2次(或2次以上)扫描,这样就存在扫描带的搭接.见图3，从理论上分析,采用2次(或2次以上)搭接扫描,在搭接区靠近第一次扫描的位置附近将出现回火区，使其表面硬度降低.齿面工作时,点蚀最易发生的位置为节线及节线以下区域,应尽可能避免该区域处于回火区.因此,在处理时，一般采取用激光束先扫描节线以上,后扫描节线以下的工艺,以提高齿面的接触强度.图2 轴向分齿扫描［13］Fig.2 Axial scanning of indexing gear［13］图3 齿面搭接扫描Fig.3 Scanning of gear surface overlap3 齿轮激光淬火的齿面硬度齿轮工作时,齿根为齿轮啮合时产生最大弯曲应力的部位,极易产生疲劳裂纹,从而导致疲劳断裂.齿面(渐开线部分)是产生表面接触疲劳强度的部位.硬化时需要沿齿形淬硬至一定深度.理想的齿面硬化层为沿齿形均匀分布,同时由于心部硬度比表面低,所以硬化层呈压缩状态,因而有利于提高齿轮的使用寿命.采用激光淬火齿轮,能获得沿齿面均匀分布的硬化层形状的较高的齿面硬度.图4为30CrMoTi齿轮分别经高频淬火和激光淬火处理后硬化层的深度和硬度比较,从图中可明显看出两者硬度上的差异,在硬化层深度离表面的距离X相同的情况下激光淬火的硬度高于高频淬火的硬度,且存在一个明显的硬度下降,而高频淬火区的硬度整体上呈现缓慢下降的趋势.图5比较了渗碳钢渗碳和含碳量较高的碳钢激光束处理后硬化层的深度和硬度.图6为低碳钢激光淬火与常规淬火的硬度的比较.从中可以看出激光淬火的硬度要比常规淬火提高15%～20%，即使低碳钢也能提高一定的硬度.图4 淬火区硬度曲线［11］Fig.4 Hardness curve of quenching area［11］图5 激光和渗碳硬度比较Fig.5 Hardness comparison of laser with case hardening图6 低碳钢激光与常规淬火硬度比较［15］Fig.6 Hardness comparison of steel with low carbon usinglaser and traditional quenching［15］4 激光淬火齿轮的疲劳寿命美国IIT研究所进行了用激光淬火8650H(C含0.53%,Mn含0.98%,Si 含0.25%,Ni含0.51%,Cr含0.51%,Mo含0.24%)代替渗碳至C含0.52%激光器进行热处理,的9310钢齿轮的试验研究.试件用15 kW连续CO2激光束经过一系列平面镜由激光器传至工作位置.试验的目的是确定激光产生的表面硬化层抗点蚀疲劳能力的大小，并与普通渗碳处理进行比较.在模拟引起齿轮点蚀疲劳的工作条件下,将这些试件在齿轮传动的滚压试验机上进行试验.装有试样的轴以2 800 r/min的转速转动,载荷范围为1 806～2 620 MPa.试验一直继续到点蚀发生为止.点蚀失效的定义是:在试样表面产生一个或多个直径为1.588～3.175 mm的剥坑.16次试验分别在4台机器上完成,疲劳曲线如图7所示，并与渗碳至0.52%的9310钢的点蚀疲劳寿命相比较.结果表明,硬化层深度相近时,其接触疲劳寿命与表面硬度也相近 (普通渗碳9310钢HRC59,淬火处理8650H为HRC59～63,淬硬层深0.4 mm)，组织属于回火马氏体,没有可分辨的转变产物或奥氏体.所以耐磨性无区别,抗点蚀疲劳能力接近，故完全可以用激光淬火代替局部渗碳处理齿轮等重载零件［3］.图7 点蚀疲劳寿命比较［3］Fig.7 Comparison in contact fatigue life［3］5 齿轮激光淬火的成本采用某项技术以后能否带来经济效益,这是所有企业首先考虑的问题.伊利诺理工学院研究所对直升机上使用的4种基本齿轮进行激光硬化和渗碳处理的费用作了专门的研究，结果见表1.渗碳处理费用的获得是通过计算整个渗碳所需的工时,包括对每一零件的预处理和渗碳过程,然后根据当年贝尔飞机制造公司的综合生产效益转换成美元，在伊利诺理工学院研究所也获得了用激光硬化相同的4个齿轮所需的费用,这些费用的估计是基于当年研究所的生产率得到的.从中可以看出，采用齿轮激光淬火技术，能降低齿轮表面硬化所需费用，带来明显的经济效益.表1 生产批量为100件时表面淬火的费用(美元)Tab.1 Cost comparison (100 pieces)(dollars)齿轮形状渗碳处理激光硬化激光硬化每件所减少成本加工费用单件成本加工费用单件成本A/55.9910 500.0023.2232.77（58.5%）B/55.9910 500.0026.2629.73（53.1%）C 3 500.0072.7111 000.0040.0532.16（44.5%）D/161.0012 250.0040.76120.24（75.7%）6 结论（1）从激光淬火齿面硬度、硬化层深度以及抗点蚀疲劳强度等性能指标看，激光淬火完全可以取代常规的齿轮渗碳工艺.（2）激光淬火工艺采用了常用普通中碳钢代替昂贵的合金渗碳钢，从而有效地降低了生产成本，产生了良好的经济效益.（3）激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题，这不仅省去了后面的磨齿工艺，而且提高了成品率，从而进一步降低了成本.（4）为了使此项技术能在工业中得到广泛应用，在研制性能可靠的工业用大功率激光器的同时，必须进行齿轮激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理实现工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做到齿轮激光淬火过程的易操作性，实现复杂形状和人工智能化的表面处理.（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。
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工业水平上, 元器件的生产不过关 , 导致激光器光 学模式不好, 稳定性和可靠性不高 , 不能满足工厂 条件下长期稳定地工作, 而进口激光器又价格昂 贵; # 由于激光加工涉及到多种学科, 国内缺乏一 批高水平的技术力量对激光加工工艺进行综合研 究, 并且对激光设备二次开发的研究也得不到深 入, 工业界难以看到激光加工的优越性; ∃ 激光加 工设备的费用一次性投入较大, 多数单位对其带来 的经济效益认识不足 , 致使在使用时较为谨慎; % 国内多数企业对传统热处理工艺带来的工业污染 和环境保护不够重视, 而对激光淬火这门清洁工艺 的优越性认识不足 目前 , 国内从事这方面研究的 有长春光学精密机械学院、 天津纺织工学院和上海 海运学院等单位, 分别就齿轮激光、 淬火的激光扫 描方式、 机理及工艺参数优化等技术进行了研究, 并取得了一定的成果 这些单位所开展的齿轮激 光淬火研究工作所采用的齿轮模数一般较大( m > = 5) , 且由于实际生产中所采用的激光导光系统和 预处理涂层等的不同导致在实验室里得出的工艺 参数很难直接在实际批量生产中应用, 即加工工艺 参数的可移植性丧失 因而研究成果在实用性方 面还有不小的差距[ 4~ 10]
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国内外研究现状
齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件 为
MM& T ! 的论文, 公布了实验结果 : 对激光表面硬 化处理后和经渗碳处理后的 AM S( 美国航空材料 规范) 6265 正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度 的比较表明 , 激光硬化代替渗碳处理在航空器件 中的 AM S6265 齿轮能得到显著的经济效 果, 有 效硬化深度为 0. 66~ 0. 86 mm, 单件成本降低了 37% ~ 78% [ 1] 八十年代末 , 美国加州机电研究 所的 James F Lew is 用 5 kW 激光器对大型花键 轴进行激光淬火, 在扫描速度 4. 32~ 7. 62 mm/ s, 光斑直径 6. 35~ 7. 62 mm 的条件下, 获得淬火硬 度 HRC59, 深度 0. 762~ 0. 864 mm 的淬硬层[ 2] 美国军方研究所用激光淬火潜水艇、 飞机等重载 大齿轮 , 解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪 音问题 激光淬火的齿轮包括 AH - 64 直升机辅 助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动 齿轮 由于激光硬化后不需要 研磨, 故可大大降 低生产成本, 提高生产率 [ 3] 相对而言 , 国内在这方面的研究起步较晚, 远 未达到能够工业化应用的程度 , 究其原因主要有 以下几点 : ∀ 由于历史原因, 我国激光器及零部件 生产水平较低 , 激光器是一种集光、 机、 电等多种
海光机所研制的黑化溶液 ( 86- 1 型) 处理方法简 单, 可直接喷刷在表面, 激光吸收率达 90% 以上 而北京朝阳五通激光技术有限公司研制的新型金 属化合物涂料对波长为 10. 6 m 的激光有明显 的吸收作用 , 能以较小的功率进行激光 热处理
第2期
周建忠等
齿轮激光淬火技术替代常规 渗碳工艺
于激光器功率和光斑形状的限制, 在进行大模数 齿轮激光淬火时, 齿面 往往要经 2 次 ( 或 2 次以 上) 扫描, 这样就存在扫描带的搭接 . 见图 3, 从理
图 3 齿面搭接扫描 Fig. 3 Scanning o f g ear surface overlap
论上分析, 采用 2 次 ( 或 2 次以上 ) 搭接扫描, 在搭 接区靠近第一次扫描的位置附近将出现回火区, 使 其表面硬度降低 齿面工作时, 点蚀最易发生的位 置为节线及节线以下区域 , 应尽可能避免该区域处 于回火区 因此, 在处理时 , 一般采取用激光束先 扫描节线以上, 后扫描节线以下的工艺, 以提高齿
了提高齿轮的承载能力 , 需对齿轮进行表面硬化 处理 而传统的齿轮硬化处理工艺 , 如渗碳、 氮化 等表面化学处理和感应表面淬火、 火焰表面淬火 等存在两个主要问题 : 即热处理后变形较大和不 易获得沿齿廓均匀分布的硬化层, 从而影响齿轮 的使用寿命 激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变 点以上 , 随着材料自身冷却 , 奥氏体转变为马氏 体, 从而使材料表面硬化 采用激光淬火齿面 , 其 加热冷却速度很高, 工艺周期短, 不需要外部淬火 介质 具有工件变形小, 工作环境洁净 , 处理后不 需要磨齿等精加工 , 且被处理齿轮尺寸不受热处 理设备尺寸的限制等独特优点 早在 1980 年, 美国军事技术研究实验处的应 用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过 一个广播节目报道 , 并由芝加哥伊利诺理工学院 研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目 该所的 Altegot t 同贝尔飞机制造公司的 P at el 合作发表
2000 年 3 月
~ 20% , 即使低碳钢也能提高一定的硬度
组织属于回火马氏体 , 没有可分辨的转变产物或 奥氏体 所以耐磨性无区别, 抗点蚀疲劳能力接
收稿日期 : 1999- 10- 29 作者简介 : 周建忠 , 男 , 江苏理工大学副教授 , 博士生
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江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
2000 年 3 月
学科和技术于一体的高科技产品
在我国现有的
对于有些低碳钢材料 , 在其表面用炭黑粉末处理, 在进行激光淬火时可起渗碳作用 2 2 激光扫描方式 周向连续螺旋扫描方法是采用光束垂直于齿 轮轴线 , 齿轮连续转 动, 激光束 ( 或齿轮 ) 轴向移 动, 在齿面上形成螺旋状间隔硬化带 , 如图 1 周 向扫描时各点入射光线不平行 , 亦即与齿轮对称 2 2 1 周向连续螺旋扫描
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2 2 2 轴向分齿扫描 齿轮激光淬火轴向分齿扫描是利用宽带激光 束对齿轮进行激光淬火的扫描方法 宽带激光束 利用分
面的接触强度
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齿轮激光淬火的齿面硬度
齿轮工作时 , 齿根为齿轮啮合时产生最大弯
扫描常采用多束光组成一宽带, 激光束沿齿轮轴 向移动扫描, 一次可扫描 1( 或 2) 个齿面 齿运动转动 1 个齿距后激光束再扫描另外 1 个齿 面, 这样逐个进行扫描直至扫完整个齿轮的所有 齿面 例如美国芝加哥 IIT 研究所对直升飞机齿 轮采用 4 束光叠加进行扫描淬火, 获得理想的效 果 采用多束光叠加会导致光路系统的复杂, 因 此国内的研究大多采用单束宽带激光对齿面进行 扫描 , 1 次或 2 次扫描 1 个齿面, 逐一分齿, 当齿 轮转动 1 圈后, 完成整个齿轮同一侧齿面的淬火 工作 然后移动激光束 ( 或齿轮 ) 位置 , 用同样方 法完成齿轮的另一侧齿面的淬火过程, 如图 2 由 曲应力的部位 , 极易产生疲劳裂纹 , 从而导致疲劳 断裂. 齿面 ( 渐开线部分 ) 是产生表面接触疲劳强 度的部位 . 硬化时需要沿齿形淬硬至一定深度. 理 想的齿面硬化层为沿齿形均匀分布, 同时由于心 部硬度比表面低, 所以硬化层呈压缩状态, 因而有 利于提高齿轮的使用寿命 . 采用激光淬火齿轮, 能 获得沿齿面均匀分布的硬化层形状的较高的齿面 硬度 图 4 为 30CrMoT i 齿轮分别经高频淬火和
H & [ P/ ( D ∋ v ) 1/ 2 ] ( 1 -
( 3)
对于连续扫描方式 , 由于 D 、 v 、 在扫描过程中 是变化的 , 其综合影响硬化层深, 结果是齿顶部分 层深大于齿根部分层深 因此在同一激光参数条 综上所述 , 采用周 件下 , 可能导致齿面已淬硬 , 表面无微熔, 而齿顶 却发生了较严重的熔融现象 向连续激光扫描淬火齿轮时, 由于激光参数从齿 根到齿顶变化呈迭加影响作用, 因而不适合于大 模数齿轮 , 一般适合于中小模数齿轮
齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺
周建忠1 , 张永康1 , 杨继昌1 , 毕 瑞2 , 陈奉斌2
( 1 江苏理工大学机械工程学院 , 江苏 镇江 212013; 2 中国一拖集团技术中心 , 河南 洛阳 471039)
摘
要: 齿轮表面质量的好坏直接影响传动部件的质量和寿命, 为此需对齿轮表面进行强化处
图 4 淬火区硬度曲线 [ 11] [ 11] Fig. 4 Hardness cur ve of quenching area 图 2 轴向分齿扫描 [ 13] F ig. 2 Ax ial scanning of indexing gear[ 13]
激光淬火处理后硬化层的深度和硬度比较 , 从图 中可明显看出两者硬度上的差异, 在硬化层深度 离表面的距离 X 相同的情况下激光淬火的硬度 高于高频淬火的硬度 , 且存在一个明显的硬度下 降, 而高频淬火区的硬度整体上呈现缓慢下降的 趋势 图 5 比较了渗碳钢渗碳和含碳量较高的碳
第 21 卷第 2 期 2000 年 3 月
江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) Journal of Jiangsu U niversity of Science and T echnology( Natural Science)
Vol. 21 No. 2 M ar . 2000
图 5 激光和 渗碳硬度比较 Fig. 5 Hardness comparison of laser w ith case hardening
钢激光束的硬度的比较 从中可 以看出激光淬火的硬度 要比常规淬火提高 15%
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江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
理, 传统的处理方法如渗碳等存在着诸如变形较大, 硬化层沿齿廓分布不均等缺陷, 从而影响 齿轮的使用寿命 通过分析可替代常规齿轮渗碳淬火的激光齿面淬火新技术研究的意义及经 济价值, 着重讨论了齿面激光淬火的关键技术 表面预处理涂层与方法 、 激光扫描方式 比 较了激光淬火与渗碳工艺的硬度、 硬化层深度及抗点蚀疲劳性能等重要指标 火工艺 关键词: 齿轮; 激光淬火 ; 扫描 ; 硬化层 中图分类号 : T N249; T G156. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 1741( 2000) 02- 0039- 05 了一 篇 题 为 直 齿 圆 柱 齿 轮 激 光 表 面 硬 化 结果表明 : 采用 激光淬火齿面技术不仅能提高生产率, 降低成本, 而且对于某些材料的齿轮完全能代替渗碳淬