齿轮模具——激光表面强化工艺与装备技术进展

    激光相变强化的金属材料学

    所谓激光相变强化，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舜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。

    相变强化工艺具有表面质量好的优点，可根据不同材质、工件热容量大小、以及激光处理工艺参数的不同，实现硬度、强化层深度可控。在传统热处理工艺中影响强化效果的技术因素，在激光相变强化中所起的作用发生了很大变化。

    1.弥散强化和畸变强化

    激光相变强化形成奥氏体，当停止激光照射，金属表面发生马氏体转变。在此工艺环境下形成的奥氏体，不管是表层，还是里层，奥氏体晶粒都没有孕育长大的机会。弥散的奥氏体晶粒，形成弥散的马氏体相或贝氏体相，使组织具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。而且，在激冷条件下形成的马氏体晶格，比常规淬火有更高的缺陷密度。与此同时，残余奥氏体也获得极高的位错密度，使金属材料具有畸变强化效果，强度大大提高。

    2.无氧化脱碳淬火

    在传统热处理中，工件在加热过程如没有保护措施，便会发生氧化、脱碳现象，使工件的硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。

    激光相变强化所使用的吸光涂料具有保护工件表面免遭氧化的性能。

    3.激光强化的抗疲劳机理

    影响金属材料抗疲劳性能的原因之一是疲劳裂纹的萌生时间。磨损和疲劳在材料损伤过程中交互促进，磨损沟痕可成为疲劳裂纹的萌生点，加速疲劳裂纹的萌生，材料表面出现疲劳裂纹后，表面粗糙度严重恶化，磨损也将加剧。

    激光强化层具有较强的抗塑性变形和抗粘着磨损能力。

    4.等强工作层

    常规热处理的冷却方向是由表及里，表面的冷却速度快，由表及里冷却速度逐渐降低，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。

    激光相变强化的加热方向虽然也相同，但表面温度较高，而且加热时间相对较长，可达0.2～0.25s，而里层奥氏体化则是舜间完成，使得表层奥氏体中有更高的碳浓度，有更强的固溶强化效果。激光淬火冷却方向却与常规热处理相反，是由里及表，里层温度虽低，但冷却速度快，外层温度虽高，有固溶强化优势，但冷却速度慢，虽然里层碳浓度稍低，但畸变强化和弥散强化更强烈。这样在硬化层内就形成了几乎不变的硬度值分布。

    激光强化件等强工作层避免了常规热处理件一旦表面出现磨损，其磨损速度便加速的现象。

  齿轮激光相变强化工艺技术

    1.材料问题

    激光齿轮宜采用中碳钢，不宜采用低碳钢。如果采用低碳钢，齿轮的基体将没有强度保证，降低弯曲疲劳强度。

    2.原始状态

    激光齿轮的原始状态是调质状态，具体操作可与齿轮毛坯锻造后的消除应力热处理相结合。锻坯正火加高温回火获得激光齿轮所希望的调质状态，是低成本之路。

    3.扫描方式

    激光齿轮的扫描方式主要有周向连续扫描，轴向分齿扫描。

    4.齿轮激光强化的预处理技术

    合适的预处理剂是保证齿轮激光强化处理的关键之一,一直以来也是激光加工的难点问题。合理适用的预处理剂和处理工艺，可以防止齿轮表面的淬火裂纹，降低表面烧损敏感性,保证激光处理后齿面精度,增加淬硬层厚度。

    5.无搭接技术和离焦差异问题

    由于齿轮工况要求，齿轮表面硬化层要求沿齿廓合理分布，而齿轮的形状特殊，另外齿轮节圆面不能有淬火带搭接，因此需要专用宽带聚焦系统。

    此外,由于激光束对齿面的照射不能保证齿面不同部位均有相同的离焦量，选择焦点的照射位置是保证齿面硬度分布合理的关键环节。

    6.激光齿轮的性能

    激光齿轮的性能主要是三方面：疲劳性能；如果激光齿轮和调质齿轮均未发现有断齿现象，证明其具有较高的抗弯曲疲劳性能；耐磨性能；使用性能。

    模具材料替代技术

    金属材料激光表面强化技术可用于金属材料的表面强化，解决整体强化和其他表面强化手段难以克服的矛盾；也可用于金属材料的表面改性，获得低等级材料的高性能表层。激光表面强化技术引发的模具材料替代技术为降低模具制造成本开辟新途径。

    1.冷作模具的材料替代技术

    冷作模具要求材料具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能。

    冷作模具采用中高碳碳素钢、低合金钢或铸铁经激光相变强化后代替用传统工艺的高等级材料，存在广泛的技术应用空间。虽然冷作模具广泛采用的高合金钢具有合金碳化物的独特耐磨效果，但是激光相变强化因其弥散强化、畸变强化、加工过程和热处理过程无氧化无脱碳和具有等强工作层，可以弥补高合金钢具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光强化的工艺灵活优势在材料替代技术领域可得到更广泛应用。

    塑料模具的工作温度在350℃以下时具有冷作模具相同的材料替代技术空间。

    2.热作模具的材料替代技术

    热作模具材料除了要求具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能外，对红硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材质激光相变强化代替不了高合金钢所具有的抗高温性能。模具再制造技术和激光熔覆可使碳素钢、低合金钢或铸铁具有抗高温性能。

    塑料模具的工作温度在400℃以上时可用热作模具相同的材料替代技术。

    3.铸铁模具

    铸铁模具的强化潜力取决于基体组织是否是珠光体。如果基体组织有太多的铁素体，将降低材料的淬硬性，所以铸铁模具的材料替代以提高强化潜力为目标。以国家标准为依据，球墨铸铁需选QT600以上，蠕墨铸铁需选RT380以上，灰口铸铁需选HT200以上的牌号。目前市场大量存在HT150模具，这类模具采用相变强化效果不佳。

    齿轮和模具的再制造技术

    在齿轮或模具损坏或缺陷部位采用激光熔覆工艺熔覆特定的合金材料，使其与基体金属材料形成良好的冶金结合，这种修复处理不仅仅对齿轮或模具形貌进行修补，而且提高了修复部位的性能，是一种增强型修复。目前把这种业已用于齿轮和模具修复的激光表面熔覆称为齿轮或模具的再制造技术。