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齒輪模具激光表面強(qiáng)化技術(shù)是指在數(shù)控環(huán)境下,利用高能量密度的激光束和涂料或熔覆材料對(duì)齒輪或模具表面進(jìn)行處理,改變其表層的組織或成分,實(shí)現(xiàn)表面相變強(qiáng)化或增強(qiáng)性修復(fù)的技術(shù)。

激光相變強(qiáng)化的金屬材料學(xué)

所謂激光相變強(qiáng)化,是用激光束掃描工件,使工件表層快速升溫到Ac3臨界點(diǎn)以上,受熱層在光斑移開(kāi)時(shí),由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度舜間進(jìn)入馬氏體區(qū)或貝氏體區(qū),發(fā)生馬氏體相變或貝氏體相變,完成相變強(qiáng)化過(guò)程。

相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)不同材質(zhì)、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數(shù)的不同,實(shí)現(xiàn)硬度、強(qiáng)化層深度可控。在傳統(tǒng)熱處理工藝中影響強(qiáng)化效果的技術(shù)因素,在激光相變強(qiáng)化中所起的作用發(fā)生了很大變化。

1.彌散強(qiáng)化和畸變強(qiáng)化

激光相變強(qiáng)化形成奧氏體,當(dāng)停止激光照射,金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體,不管是表層,還是里層,奧氏體晶粒都沒(méi)有孕育長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)。彌散的奧氏體晶粒,形成彌散的馬氏體相或貝氏體相,使組織具有晶格強(qiáng)化的同時(shí)具有彌散強(qiáng)化效果。而且,在激冷條件下形成的馬氏體晶格,比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時(shí),殘余奧氏體也獲得極高的位錯(cuò)密度,使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果,強(qiáng)度大大提高。

2.無(wú)氧化脫碳淬火

在傳統(tǒng)熱處理中,工件在加熱過(guò)程如沒(méi)有保護(hù)措施,便會(huì)發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象,使工件的硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。

激光相變強(qiáng)化所使用的吸光涂料具有保護(hù)工件表面免遭氧化的性能。

3.激光強(qiáng)化的抗疲勞機(jī)理

影響金屬材料抗疲勞性能的原因之一是疲勞裂紋的萌生時(shí)間。磨損和疲勞在材料損傷過(guò)程中交互促進(jìn),磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn),加速疲勞裂紋的萌生,材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后,表面粗糙度嚴(yán)重惡化,磨損也將加劇。
激光強(qiáng)化層具有較強(qiáng)的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。

4.等強(qiáng)工作層

常規(guī)熱處理的冷卻方向是由表及里,表面的冷卻速度最快,由表及里冷卻速度逐漸降低,所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。

激光相變強(qiáng)化的加熱方向雖然也相同,但表面溫度較高,而且加熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),可達(dá)0.2～0.25s,而里層奧氏體化則是舜間完成,使得表層奧氏體中有更高的碳濃度,有更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。激光淬火冷卻方向卻與常規(guī)熱處理相反,是由里及表,里層溫度雖低,但冷卻速度最快,外層溫度雖高,有固溶強(qiáng)化優(yōu)勢(shì),但冷卻速度最慢,雖然里層碳濃度稍低,但畸變強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化更強(qiáng)烈。這樣在硬化層內(nèi)就形成了幾乎不變的硬度值分布。

激光強(qiáng)化件等強(qiáng)工作層避免了常規(guī)熱處理件一旦表面出現(xiàn)磨損,其磨損速度便加速的現(xiàn)象。

齒輪激光相變強(qiáng)化工藝技術(shù)

材料問(wèn)題
激光齒輪宜采用中碳鋼,不宜采用低碳鋼。
如果采用低碳鋼,齒輪的基體將沒(méi)有強(qiáng)度保證,降低彎曲疲勞強(qiáng)度。
原始狀態(tài)
激光齒輪的最佳原始狀態(tài)是調(diào)質(zhì)狀態(tài),具體操作可與齒輪毛坯鍛造后的消除應(yīng)力熱處理相結(jié)合。鍛坯正火加高溫回火獲得激光齒輪所希望的調(diào)質(zhì)狀態(tài),是低成本之路。

掃描方式

激光齒輪的掃描方式主要有周向連續(xù)掃描,軸向分齒掃描。

齒輪激光強(qiáng)化的預(yù)處理技術(shù)

合適的預(yù)處理劑是保證齒輪激光強(qiáng)化處理的關(guān)鍵之一,一直以來(lái)也是激光加工的難點(diǎn)問(wèn)題。合理適用的預(yù)處理劑和處理工藝,可以防止齒輪表面的淬火裂紋,降低表面燒損敏感性,保證激光處理后齒面精度,增加淬硬層厚度。
無(wú)搭接技術(shù)和離焦差異問(wèn)題

由于齒輪工況要求,齒輪表面硬化層要求沿齒廓合理分布,而齒輪的形狀特殊,另外齒輪節(jié)圓面不能有淬火帶搭接,因此需要專用寬帶聚焦系統(tǒng)。

此外,由于激光束對(duì)齒面的照射不能保證齒面不同部位均有相同的離焦量,選擇焦點(diǎn)的照射位置是保證齒面硬度分布合理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

激光齒輪的性能

激光齒輪的性能主要是三方面:疲勞性能;如果激光齒輪和調(diào)質(zhì)齒輪均未發(fā)現(xiàn)有斷齒現(xiàn)象,證明其具有較高的抗彎曲疲勞性能;耐磨性能;使用性能。