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。