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2012年第4期汽车工艺与材料ATM49

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齿轮的激光热处理技术与应用

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

■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(103~10?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(10?~10?℃/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

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(直径2m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。

图1齿轮的激光热处理

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0.01mm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