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齒輪的激光熱處理技術(shù)

我國(guó)從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始齒輪激光熱處理的研究,同時(shí)研制了多種激光熱處理裝備,現(xiàn)已成為一項(xiàng)實(shí)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(qiáng)化技術(shù),齒輪激光熱處理克服了傳統(tǒng)熱處理的缺點(diǎn),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(zhǎng),淬火畸變微小,齒輪精度等級(jí)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(chē)輛等多種行業(yè)各類(lèi)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(dá)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(dá)到材料的相變點(diǎn)以上,形成奧氏體,此時(shí)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(xì)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(lái)不及擴(kuò)散,因此馬氏體含碳量較高,殘留奧氏體也獲得較高的位錯(cuò)密度,使材料具有畸變強(qiáng)化效果,從而顯著提高了零件表面的耐磨性。


同時(shí),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(qiáng)度。利用這些特點(diǎn)對(duì)齒輪表面實(shí)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(guò)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(duì)比如表1所示。

齒輪激光淬火與傳統(tǒng)熱處理的對(duì)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(zhǎng),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(dòng)速度,mm/min),其次還有材料對(duì)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(shí),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(duì)40鋼進(jìn)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=-0.10973.02P/(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(dòng),激光束軸向移動(dòng),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(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)。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。

幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果

牌號(hào)

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(chēng)與型號(hào)

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(jī)組和加工機(jī)床及光路系統(tǒng)組成。

作者:金榮植

來(lái)源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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