激光淬火技術(shù)在大模數(shù)齒圈齒面表面強(qiáng)化上的應(yīng)用

■ 楊澤華，馬戰(zhàn)勛，劉麗敏

齒輪失效形式主要是接觸疲勞導(dǎo)致的點(diǎn)蝕和彎曲疲勞導(dǎo)致的齒根折斷。為了提高齒輪的疲勞強(qiáng)度，一般采用表面強(qiáng)化處理。傳統(tǒng)的齒面強(qiáng)化工藝有：中頻感應(yīng)淬火、高頻感應(yīng)淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等方法。但這些方法存在淬火零件變形較大、熱處理時(shí)間長(zhǎng)以及費(fèi)用較高等問題。另外，對(duì)于大模數(shù)、超大直經(jīng)（m≥12，直徑≥3000mm）齒圈齒面采用傳統(tǒng)淬火前還需預(yù)留機(jī)加工余量，淬火后必須采用大型磨齒機(jī)進(jìn)行磨齒校正處理。激光淬火相對(duì)于傳統(tǒng)表面強(qiáng)化方法具有變形小、熱影響區(qū)小、可精確控制淬火區(qū)域、硬化層均勻，以及熱處理后不需后續(xù)加工等優(yōu)點(diǎn)，適于大模數(shù)、大直徑齒圈的表面強(qiáng)化。

雖然數(shù)控激光淬火技術(shù)在中小型零件上已廣泛應(yīng)用，但對(duì)于大模數(shù)、超大直徑齒圈齒面激光淬火在國(guó)內(nèi)尚屬首次，國(guó)外相關(guān)報(bào)道也很少。本文通過先在專用仿形試料上進(jìn)行激光淬火試驗(yàn)，進(jìn)而擴(kuò)大到大模數(shù)齒圈齒面激光淬火工藝的工業(yè)化應(yīng)用。

1. 試驗(yàn)過程及說明

試樣材料：45CrNi鋼（調(diào)質(zhì)狀態(tài)）。試驗(yàn)設(shè)備：GSTFL-6000型6kW橫流CO2激光器。

（1）試料準(zhǔn)備 為了保證試驗(yàn)結(jié)果與工業(yè)化試制結(jié)果相符，試樣采用數(shù)控線切割技術(shù)加工出同種材料同一狀態(tài)，相同模數(shù)的仿形齒圈一段共8個(gè)齒，選其中3個(gè)齒作為樣塊分別編號(hào)為1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2。

（2）工藝參數(shù)及說明 為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，引用一種先進(jìn)的發(fā)明專利方法《采用軸側(cè)吹氣降低激光表面淬火功率的方法》（專利號(hào)：150204196404052111），制訂本試驗(yàn)參數(shù)。

激光功率為2200～3000W，采用寬帶掃描，帶寬尺寸16mm，離焦量為40mm，掃描速度為6～13mm/s。在激光淬火前清理試料表面油污并在齒面噴涂吸光涂料。齒面激光淬火時(shí)，應(yīng)采用軸向分齒搭接掃描。先掃描齒頂部（AC），后掃描齒根部（BD），每相隔3～5齒進(jìn)行一次掃描（見圖1）。齒頂部激光垂直照射有功功率高，激光功率宜采用中下限，齒根部激光傾斜照射有功功率小，激光功率宜采用中上限。采用寬帶掃描系統(tǒng)。利用積分聚焦鏡把點(diǎn)光源（φ5mm）變成線光源（1.5mm×16mm），線光源的功率密度分布在長(zhǎng)度方向上近似正態(tài)分布，工件受熱均勻，而且相比點(diǎn)光源淬火生產(chǎn)效率提高3～4倍。初步確定的試料淬火工藝參數(shù)如表1所示。

2. 結(jié)果檢測(cè)

（1）硬度檢測(cè) 用LETTZ型顯微硬度計(jì)對(duì)淬火層橫斷面進(jìn)行硬度測(cè)量，如表1所示。

從表1可看出：在確定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)激光處理的試件，經(jīng)理化檢測(cè)，齒頂和齒根部位淬硬層深度在0.60～0.95mm。各參數(shù)之間符合硬化層深度正比于功率密度（單位面積的激光能量）。

（2）顯微法與金相法檢測(cè) 經(jīng)宏觀檢測(cè)，試樣1-1、試樣3-2表面質(zhì)量最好，無熔化現(xiàn)象。固選用該兩個(gè)試樣進(jìn)行金相檢測(cè)。金相試樣采用線切割機(jī)沿橫斷面截取并經(jīng)研磨拋光后用腐蝕液腐蝕淬火層觀查顯微組織，如圖2～圖5所示。

圖1 激光淬火示意

圖2 齒頂激光淬火區(qū)域（50×）

圖3 齒根激光淬火區(qū)域 （50×）

圖4 齒面激光淬火顯微組織（500×）

圖5 齒面激光淬火最深區(qū)域（50×）

表1 激光淬火硬化層深度檢測(cè)值

采用MM6型金相顯微鏡對(duì)淬火層斷面和金相組織進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

從表2檢測(cè)結(jié)果看，激光淬硬層組織為馬氏體，淬火層硬度在708.57～765.02HV（59.5～62HRC），說明激光硬化層硬度、組織均勻一致，并且采用顯微硬度法檢測(cè)的硬化層深度與表1中采用金相法檢測(cè)的硬化層深度基本一致。淬硬層深度和硬度均能達(dá)到大模數(shù)齒圈的技術(shù)性能要求。

（3）激光硬化原理分析 通過金相法和顯微法分析，激光淬火層分為相變區(qū)和過渡區(qū)，相變區(qū)的組織主要由超細(xì)馬氏體組成。45CrNi材料表面在激光輻照下，瞬時(shí)奧氏體化（加熱速度可達(dá)104～109℃/s）。金屬材料中的碳化物以及合金元素完全溶入奧氏體中，極大的過熱度造成相變驅(qū)動(dòng)力很大，使奧氏體的形核數(shù)目增多，相變形核的臨界半經(jīng)很小。激光輻照移開后材料自激冷（冷卻速度可達(dá)104℃/s），使得超細(xì)奧氏體來不及長(zhǎng)大，相變產(chǎn)物得到超細(xì)馬氏體組織。并且在激光瞬時(shí)加熱下，工件表面形成超強(qiáng)光壓，使材料表面發(fā)生塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力，從而使顯微組織中位錯(cuò)密度增加。激光淬火后的硬度沿橫截面深度方向均勻分布。綜合以上機(jī)理，激光淬火的強(qiáng)化機(jī)制有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化，使材料表面的綜合性能得到很大改善，耐磨性、抗疲勞性顯著提高。

3. 試驗(yàn)結(jié)論

（1）試件激光處理表面硬化層深度、硬度和淬火組織均勻。

（2）確定的試件齒面激光淬火工藝參數(shù)合理、可行，可以在大模數(shù)、大直經(jīng)齒圈零件上做工業(yè)化試制。

4. 工業(yè)化試制

（1）前處理 在激光淬火前清理試件表面油污并均勻噴涂吸光材料。

（2）裝夾 在激光淬火時(shí)，為了保證數(shù)控激光淬火機(jī)床能夠準(zhǔn)確實(shí)施分區(qū)淬火，即淬完第一個(gè)齒后隔3～5個(gè)齒淬第二個(gè)齒，并精確控制淬火區(qū)域，在裝夾過程中必須使試件與旋轉(zhuǎn)軸同心。

（3）工藝參數(shù)確定 根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，制訂的優(yōu)化工藝參數(shù)如表3所示。

（4）試制結(jié)果 齒圈齒面淬火后，經(jīng)直徑方向尺寸檢測(cè)和平面度檢測(cè)均符合零件的圖樣設(shè)計(jì)要求。

（5）使用效果 首批試制X件大模數(shù)齒圈，經(jīng)使用一年后檢測(cè)沒有出現(xiàn)接觸疲勞導(dǎo)致的點(diǎn)蝕和彎曲疲勞導(dǎo)致的齒根折斷等質(zhì)量問題。隨后又分批連續(xù)生產(chǎn)××件大模數(shù)齒圈，經(jīng)使用5年后復(fù)檢依然沒有出現(xiàn)接觸疲勞導(dǎo)致的點(diǎn)蝕和彎曲疲勞導(dǎo)致的齒根折斷等任何質(zhì)量問題。

（6）激光淬火技術(shù)優(yōu)勢(shì) 表4對(duì)比了分別應(yīng)用激光淬火技術(shù)與傳統(tǒng)中高頻感應(yīng)淬火技術(shù)兩種方法強(qiáng)化齒圈的各項(xiàng)性能參數(shù)。

表2 硬化層硬度、深度和組織檢測(cè)結(jié)果

表3 激光淬火工藝參數(shù)

表4 激光淬火與傳統(tǒng)中高頻感應(yīng)淬火強(qiáng)化齒圈的性能比較

5. 結(jié)語

（1）大模數(shù)齒圈齒激光處理表面硬化層深度、硬度和淬火組織均勻。

（2）確定的大模數(shù)齒圈齒面工業(yè)化激光淬火工藝參數(shù)合理、可行。

（3）大模數(shù)齒圈齒面采用激光淬火工藝后，其耐磨性、抗疲勞性、綜合力學(xué)性能均達(dá)到零件技術(shù)性能要求，外觀尺寸滿足圖樣設(shè)計(jì)要求，數(shù)控激光淬火技術(shù)適合工業(yè)化應(yīng)用。

（4）大模數(shù)齒圈齒面采用激光淬火后相較傳統(tǒng)中高頻感應(yīng)淬火，零件的總機(jī)械加工周期縮短了30%。

（5）大模數(shù)齒圈齒面采用激光淬火后經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，可大幅提高齒圈使用壽命，達(dá)一倍以上。

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