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齿轮模具激光表面强化技术 2021-08-19

齿轮模具激光表面强化技术,是指在数控环境下,利用高能量密度的激光束和涂料,或熔覆材料对齿轮或模具表面进行处理,改变其表层的组织或成分,实现表面相变强化或增强性修复的技术。

一、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瞬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,工件在加热过程中如没有保护措施,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,表面的冷却速度最快,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瞬间完成,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。

冷却方向却与常规热处理相反,是由里及表,里层温度虽低,但冷却速度最快,外层温度虽高,有固溶强化优势,但冷却速度最慢,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。

激光强化件的等强工作层,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。

二、齿轮激光相变强化工艺技术

1.材料问题

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

齿轮的最佳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,获得齿轮所希望的调质状态,是低成本之路。

3.扫描方式

激光强化齿轮的扫描方式主要有周向连续扫描和轴向分齿扫描。

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,保证激光处理后的齿面精度,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:

(1)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;(2)耐磨性能;(3)使用性能。


来源:中国压铸模具网




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