齿轮的激光热处理技术与应用

５ 齿轮激光热处理设备
（ 激 光设 备配 置 １） 横 流ＣＯ 激 光器 １ ，专 用配 套冷 水机 组 １ ，数 台 套
小 ，一般 不会使原 齿 轮加工 精度 等级 降低 。
激 光 淬 火 后 齿 轮 的疲 劳 强 度 比调 质 齿 轮 的 高 得
控 加 工机 床 １ ，光 路 系统 １ 。 图２ Ａ Ｓ Ｓ Ｒ 台 套 为Ｈ Ｎ Ｇ — Ｃ
合物 ，表面 硬度 为６ ０ ８ ０Ｈ ５ — ０ Ｖ。 Ｃ． 金 结 构 钢 、 中 碳 合 金 结 构 钢 如 ４０Ｃｒ 合 、
（ 激光渗氮 １） 激光渗氮是将尿素涂于工件表面，在一定功率密
度激 光 束辐 照下 进行 渗氮 。如 要使 １ ｒ２ ２ ２ 钢 Ｃ ｌ ＮｉＷ Ｖ １
４ Ｃ ＮＭｏ ，第 一层 表 层 为完 全 淬硬 层 ，由隐 晶 马 ０ ｉ 等 ｒ 氏体 ＋ 少量 残 余奥 氏体组 成 ；第 二 层过 渡 层 为马 氏体
＋ 化 物 组成 ；第三 层 为高 温 回火 区 ，由回 火 索 氏体 碳 组成 。硬 化层 硬度 为６ ０ ７ ０Ｈ 。 ７ — ８ Ｖ
２ １年第４ ０ ２ 期
汽车 ｑ艺与材料 Ａ＆ ｛ １ － ＴＭ ５
齿 轮激 光淬 火技术 适用 于高 中碳 钢 、高 中碳合 金 钢 、铸铁等材料 ， 硬化层深可控制在０ ～ ． １ ｍｍ。对于 ４ ｌ ２
低碳钢 、低碳合金钢 ，淬火硬度可；．０Ｈ Ｃ １４ Ｒ 左右 ；对于 ２ ￣ 中碳钢 （ ５ ） 如４ 钢 表面淬火硬度可达５ Ｒ 左右。 ７Ｈ Ｃ 激 光 淬 火 加 热 速 度 极 高 （可 达 １ ０ ℃／ 以 ０ ０ ｓ 上 ），相 变温度停 留时 间不到０ １Ｓ ． ，因此热 影 响区很
ｂ 如果 工件 适合 用 石墨粉 膏 剂进 行局 部渗 碳 ，这 ．
（ 技 术指 标 ２） Ｈ ＳＧＳ ＡＮ —ＲＣ型齿 轮 激 光 热 处理 成 套 设 备 技 术 指标 见表 １ 。
（ ３）应用领 域
样 就 比采 用气 体介质 的激光 渗碳 更 简便 ，只需 将石 墨 粉膏剂 （ 渗碳 介质 ） 覆在 零件 需渗 碳 的部位 ，即可 涂 进 行 激光 渗碳 热 处理。 当渗 碳部 位仅 占工 件 的很 小区
型齿轮 激光 热 处理 成 套设 备。
多 ，寿 命 可提高 几倍 乃至 十几倍 ，并 且耐 磨性 极好 。
４ 激 光 渗 碳 与渗 氮 热 处 理
４ １ 激光渗 碳 热处理 ．
与传统 的气体 渗 碳或 固体 渗碳相 比 ，激 光渗碳 突 出 的优 点 是工 艺时 间 非常短 ，可 以精 确简 便地 控 制工
２ １ 年 第４ ０ ２ 期
汽 车 工 艺 与 材 料 Ａ＆ ４ ＴＭ ｌ ９
生
产 碗 场
ｂ 中碳 钢 如４ 钢 （ ． ５ 调质 后 ），激 光淬 火层 组织 以
即激 光淬 火一 氮复 合处理 。 渗
细化 板 条 马 氏体 为主 ，过 渡 区 为马 氏体 ＋ 氏体 的混 屈
用并 极 有发展 前 景 的高新 技术 。 目前 ，齿 轮 激光 热 处
理技 术主 要应 用如 下。
达 到材 料 的相 变点 以上 ，形成 奥 氏体 。此 时零件 基体 呈 冷态 ，与加 热 区之 间有 极高 的温度 梯度 。一旦 停止
激 光照 射 ，其 加 热 区因急 冷而 发生 直接 冷却 淬火 ，使 金 属表面 的奥 氏体 转 变成 马 氏体 。而这 种 马 氏体 组织
域 时 ，因其他 部位 处于 冷态 ，刚度 大 ，因此 工件 几乎 没有 变形 。 ４２ 激光 渗氦 热处 理 ．
用于矿 山、冶 金、港 口、船 舶、风能发 电、工程车
辆 、重型机械等行业 各类齿轮 的表面激 光硬化处理 ，尤 其 适合 大型和特 种齿 轮的热处理 瑛 场
齿轮的激 光热处理技术与应 用
摘要 ：作为一种 新型的表面强 化技术 ，齿轮激 光热处理克服 了传 统热 处理 的缺 点 ，获得 了理 想
的硬度和硬化 层分布 ，齿轮 耐磨 性能大大提 高 ，使用寿命 延长 ，淬火 变形微 小 ，齿轮精度 等级不 受
影响 ，齿面 不需要研磨 ，可以代替渗碳 、渗氮等表面化学 热处理和感应热 处理等传统工 艺 ，生产成
本低 ，生产 效率高 ， 目前 已广泛应用于矿 山、冶金 、船舶 、风能发 电及 工程车辆等 多种 行业各类齿
轮 的表面硬化 处理 ，取得 了显著效果 。 关键 词 ：齿轮 激光热 处理 应用
文献标 识码 ：Ｂ
中图分类号 ：Ｔ ６ ．３ Ｇ１ ５２ ５ Ｇ１ ２７ ；Ｔ ． ５
十 分细 小 ，具有 比常 规淬 火更 高 的组织缺 陷密度 。 由 于 冷 速极 快 （ ０～ ０ ℃／ １ １ 。 ｓ），碳 原子 来 不及 扩散 ， 因此 马 氏体含 碳 量较 高 ，残余 奥 氏体 也 获得 较高 的位 错 密度 ，使 材料 具有 畸 变强化 效 果 ，从 而 显著提 高 了
ｃ心部 性 能要 求较 低 ， 同时要 降低成 本 和 生产 周 ． 期 （ 对渗 碳＋ 齿 ）； 相 磨
ｄ受 热 处理炉 限制无 法硬 化 的齿 轮 ，如 超 大齿 轮 ．
压 应 力 ，又 显著 增加 了零 件表 面 的疲 劳强 度。 利用 这
一
特点 对零 件表 面 实施激 光 淬火 ，可 以显著 提 高材 料
６ 齿轮激光热处理的应用
６１ 某军 工厂 两 个齿 圈 通过 激 光淬 火使 齿 圈满 足８ ． 级
精 度 要求
激 光 渗氦 有两种 形式 ：在 渗氮 介质作 用 下进 行激 光渗 氮 处理 ；激 光预 处理后 再 渗氮 的综合 处理 工 艺 ，
齿 圈１ ，采 取 圆周 连 续扫 描 方 式 ，硬 化层 深 度约
３２ － ． 陛能
渗氮时获得最高的表面硬度与最大的渗层 ， 推荐的尿 素用量为５ ０ ６ ０ ／ ５ ～ ２ ｍ ，连续激光功率大于２５ Ｗ。 ｇ ．ｋ
（ 激 光淬 火一 氨复合 处理 ２） 渗
如 对３ Ｃ Ｍ０ ５ Ａ钢 先进 行 激 光 预 处理 ，然 后进 行 ｒ
气体 渗 氮 。渗氦 介质 为 Ｎ 。 Ｈ 。渗氨 工 艺 为５ ０℃ ×１ ３ Ｏ ｈ 。激 光 预 处理 可 以细 化 渗 氮层 晶 粒 ，再 进行 渗 氮 处 理 可使 渗氮层 表面 硬度 和深 度增 加 ，耐磨 性能增 强 。
的耐磨 性 能和抗 疲劳 性能 。 齿 轮激 光表 面 强化是 一种 新型 的表面 强 化技 术 ， 通过 多年 的改进和 发展 ，克服 了渗碳 （ 氮 共渗 ） 碳 、
渗氦 及感 应热 处理 等传 统 热处理 工 艺存在 的硬化 层分
布 不均 、变 形大 等缺 点 ，适合于 多种 材质 、不 同几何 参数 和尺 寸 的齿轮 。 我 国从 ２ 世纪 ８ 年代 就 开 始齿 轮 激 光 淬 火 的研 ０ ０ 究 ，同时研 制 了多种 激光 淬火 设备 ，现 已成 为一 项 实
件 的渗碳部 位 。
图２ Ｈ Ｎ ＧＳ Ｒ Ａ Ｓ — Ｃ型齿轮 激光 热处 理成套 设 备
ａ 在 丙 烷 ＋ 烷 ＋ 气 的 气 氛 中 ， 对 ２ 钢 和 ． 丁 氩 ０ １ Ｃ Ｎ３Ｒ 行脉 冲激 光渗碳 ，只 需２ ３ｍｓＰ 同时 ｒｉ 进 ２ ＊ ～ Ｐ可 ， 完成 渗碳和 淬 火 ，因而 它不需 渗碳 的后 期热 处理 。
零 件表 面 的耐磨 性 。 同时 ，硬 化层 内残 留有相 当大 的
ａ 术 要 求高 ，如 大直径 、易 变形 、难磨 齿 （ ． 技 如 内齿 圈 ）、异形齿 轮 （ 如无 法感应 淬 火 ） ； 等 ｂ性 能要 求高 ，如 表面 硬度 和 表面 残余 压应 力 要 ．
求高 、齿 根层 深 需要控 制 ；
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哈 尔滨 汇隆汽 车箱桥 有 限公 司 金荣 植
１ 齿轮的激光热处理技术及 其优点
１１ 齿 轮的激 光热 处理 技术 ． 激光 淬 火是 以高 能量 密度 （ ０一 Ｏ Ｗ ／ｍ ）的 １。１ ｃ
激 光束 快速 照射 零件 表面 ，使 其硬 化层 部位 瞬 间吸 收 光 能而 立 即转化 为热 能 ，使激 光作 用 区温度 急剧 上升