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齒輪模具激光表面強化工藝與裝備進展

點擊次數:更新時間:2015-09-11 14:09:10【打印】【關閉】

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或貝氏體區,發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量好的優點,可根據不同材質、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數的不同,實現硬度、強化層深度可控。在傳統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,金屬表面發生馬氏體轉變。在此工藝環境下形成的奧氏體,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

  在傳統熱處理中,工件在加熱過程如沒有保護措施,便會發生氧化、脫碳現象,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熱處理件一旦表面出現磨損,其磨損速度便加速的現象。

  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

  激光齒輪的最佳原始狀態是調質狀態,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質狀態,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,另外齒輪節圓面不能有淬火帶搭接,因此需要專用寬帶聚焦系統。

  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節。

  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;如果激光齒輪和調質齒輪均未發現有斷齒現象,證明其具有較高的抗彎曲疲勞性能;耐磨性能;使用性能。

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