齒輪模具－－激光表面強化工藝與裝備技術進展

   齒輪模具激光表面強化技術是指在數(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齒輪或模具表面進行處理，改變其表層的組織或成分，實現(xiàn)表面相變強化或增強性修復的技術。

 激光相變強化的金屬材料學

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

   相變強化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點，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，實現(xiàn)硬度、強化層深度可控。在傳統(tǒng)熱處理工藝中影響強化效果的技術因素，在激光相變強化中所起的作用發(fā)生了很大變化。

1.彌散強化和畸變強化

激光相變強化形成奧氏體，當停止激光照射，金屬表面發(fā)生馬氏體轉變。在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體，不管是表層，還是里層，奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機會。彌散的奧氏體晶粒，形成彌散的馬氏體相或貝氏體相，使組織具有晶格強化的同時具有彌散強化效果。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，殘余奧氏體也獲得極高的位錯密度，使金屬材料具有畸變強化效果，強度大大提高。

2.無氧化脫碳淬火

在傳統(tǒng)熱處理中，工件在加熱過程如沒有保護措施，便會發(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。

激光相變強化所使用的吸光涂料具有保護工件表面免遭氧化的性能。

3.激光強化的抗疲勞機理

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間。磨損和疲勞在材料損傷過程中交互促進，磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點，加速疲勞裂紋的萌生，材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后，表面粗糙度嚴重惡化，磨損也將加劇。

激光強化層具有較強的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。

4.等強工作層

   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。

   激光相變強化的加熱方向雖然也相同，但表面溫度較高，而且加熱時間相對較長，可達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，有更強的固溶強化效果。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，有固溶強化優(yōu)勢，但冷卻速度最慢，雖然里層碳濃度稍低，但畸變強化和彌散強化更強烈。這樣在硬化層內(nèi)就形成了幾乎不變的硬度值分布。

激光強化件等強工作層避免了常規(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。

齒輪激光相變強化工藝技術

1.材料問題

激光齒輪宜采用中碳鋼，不宜采用低碳鋼。如果采用低碳鋼，齒輪的基體將沒有強度保證，降低彎曲疲勞強度。

2.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力熱處理相結合。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。

3.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。

4.齒輪激光強化的預處理技術

合適的預處理劑是保證齒輪激光強化處理的關鍵之一,一直以來也是激光加工的難點問題。合理適用的預處理劑和處理工藝，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。

5.無搭接技術和離焦差異問題

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，選擇焦點的照射位置是保證齒面硬度分布合理的關鍵環(huán)節(jié)。

6.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。

模具材料替代技術

金屬材料激光表面強化技術可用于金屬材料的表面強化，解決整體強化和其他表面強化手段難以克服的矛盾；也可用于金屬材料的表面改性，獲得低等級材料的高性能表層。激光表面強化技術引發(fā)的模具材料替代技術為降低模具制造成本開辟新途徑。

1.冷作模具的材料替代技術

冷作模具要求材料具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能。

冷作模具采用中高碳碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵經(jīng)激光相變強化后代替用傳統(tǒng)工藝的高等級材料，存在廣泛的技術應用空間。雖然冷作模具廣泛采用的高合金鋼具有合金碳化物的獨特耐磨效果，但是激光相變強化因其彌散強化、畸變強化、加工過程和熱處理過程無氧化無脫碳和具有等強工作層，可以彌補高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光強化的工藝靈活優(yōu)勢在材料替代技術領域可得到更廣泛應用。

塑料模具的工作溫度在350℃以下時具有冷作模具相同的材料替代技術空間。

2.熱作模具的材料替代技術

熱作模具材料除了要求具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能外，對紅硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材質(zhì)激光相變強化代替不了高合金鋼所具有的抗高溫性能。模具再制造技術和激光熔覆可使碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能。

塑料模具的工作溫度在400℃以上時可用熱作模具相同的材料替代技術。

3.鑄鐵模具

鑄鐵模具的強化潛力取決于基體組織是否是珠光體。如果基體組織有太多的鐵素體，將降低材料的淬硬性，所以鑄鐵模具的材料替代以提高強化潛力為目標。以國家標準為依據(jù)，球墨鑄鐵需選QT600以上，蠕墨鑄鐵需選RT380以上，灰口鑄鐵需選HT200以上的牌號。目前市場大量存在HT150模具，這類模具采用相變強化效果不佳。

齒輪和模具的再制造技術

在齒輪或模具損壞或缺陷部位采用激光熔覆工藝熔覆特定的合金材料，使其與基體金屬材料形成良好的冶金結合，這種修復處理不僅僅對齒輪或模具形貌進行修補，而且提高了修復部位的性能，是一種增強型修復。目前把這種業(yè)已用于齒輪和模具修復的激光表面熔覆稱為齒輪或模具的再制造技術。