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我國從20世紀80年代就開始齒輪激光熱處理的研究，同時研制了多種激光熱處理裝備，現已成為一項實用并極有發展前景的高新技術。

作為一種新型的表面強化技術，齒輪激光熱處理克服了傳統熱處理的缺點，獲得了理想的硬度和硬化層分布，耐磨性大幅度提高，使用壽命延長，淬火畸變微小，齒輪精度等級不受影響，齒面不需要研磨，可以代替滲碳、滲氮等表面化學熱處理和感應熱處理等傳統工藝，生產成本低，生產效率高，目前已經廣泛應用于船舶、風能發電、冶金、礦山及工程車輛等多種行業各類齒輪的表面硬化處理，尤其適合大型和特種齒輪的熱處理，最大直徑達3m以上。

1.激光淬火技術

激光淬火是以高能量密度（10³~10⁸W/cm²）的激光束快速照射零件表面，使其硬化層部位瞬間吸收光能立即轉化為熱能，使激光作用區溫度急劇上升達到材料的相變點以上，形成奧氏體，此時零件基體呈冷態，與加熱區之間有極高的溫度梯度，一旦停止激光照射，其加熱區因急冷而發生直冷淬火，使金屬表面的奧氏體轉變成馬氏體。而這種馬氏體組織十分細小，具有比常規淬火更高的組織缺陷密度。由于冷速極快（10⁴~10⁹℃/s），碳原子來不及擴散，因此馬氏體含碳量較高，殘留奧氏體也獲得較高的位錯密度，使材料具有畸變強化效果，從而顯著提高了零件表面的耐磨性。

同時，硬化層內殘留有相當大的壓應力，又顯著增加了零件表面的疲勞強度。利用這些特點對齒輪表面實施激光淬火，可以顯著提高材料的耐磨性能和抗疲勞性能。圖1為齒輪的激光熱處理。

（a）齒輪激光熱處理形貌

（b）齒輪的激光熱處理過程

圖1 齒輪的激光熱處理

齒輪激光淬火與傳統熱處理的對比如表1所示。

表1 齒輪激光淬火與傳統熱處理的對比

2.激光淬火工藝

（1）激光淬火工藝參數

激光淬火的硬化指標主要是硬化層深度、寬度和硬度。影響上述指標的基本工藝參數是：作用在工件表面上光斑尺寸d（mm），激光器輸出功率N（W），掃描速度V（即工件移動速度，mm/min），其次還有材料對光的吸收率。此外，也有直接將功率密度P（W/cm²）作為控制工藝的參數。

激光硬化層深度（δ）∝激光功率P/掃描速度V，光斑尺寸d。因此，在制定激光淬火工藝參數時，首先應確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。

應用2kW連續CO₂氣體激光器對40鋼進行激光淬火，得到的硬化層深度與功率、光斑尺寸、掃描速度呈比例關系，其關系如下：

δ＝－0.1097＋3.02P/（dV）

式中 δ——硬化層深度（mm）；

P——加熱功率密度（W/cm²）；

d——光斑直徑（mm）；

V——掃描速度（mm/min）。

（2）齒輪激光淬火的掃描方式

主要有兩種：一是周向連續掃描，即齒輪連續轉動，激光束軸向移動，在齒面上形成螺旋形間隔硬化帶，適合于中、小模數（5mm以下）齒輪；二是軸向分齒掃描，即激光沿齒輪做軸向往復運動，齒輪輪齒同一側的掃描工作完成后，激光束移到另一選定位置，重復上述運動。適合于中、大模數齒輪。

（3）幾種材料激光淬火工藝參數及效果如表2所示。

表2 幾種材料激光淬火工藝參數及效果

3.齒輪激光熱處理成套設備

（1）產品名稱與型號

如武漢金石凱激光技術有限公司生產的GS-RC型系列齒輪激光熱處理成套設備。

（2）齒輪激光熱處理成套設備組成

主要由激光器、水冷機組和加工機床及光路系統組成。

作者：金榮植

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

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