1.本发明涉及低碳钢的热处理强化技术领域，尤其是涉及一种低碳钢齿轮构件的渗碳与激光淬火复合强化方法。
背景技术：
2.齿轮是一种传递转矩和角运动的机械构件,是飞机、直升机、发动机及其他机械装备的最重要结构部件之一。高质量的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性以及优异的表面疲劳性能,能很好地长期承受冲击、弯曲和接触应力,而且还要求变形小、精度高和噪声低。因此，在齿轮的生产制造中，除了进行一般的淬火、回火热处理工艺，还需要进行渗碳处理、渗氮处理、高频淬火等多种表面硬化处理。
3.渗碳+淬火/回火处理是齿轮钢最常用的表面处理方法，能够显著提高齿轮钢的硬度和耐磨性，可有效提高齿轮的承载能力和使用寿命。但是由于常规低压渗碳工艺需要在高温下进行多个碳化-扩散过程，容易造成齿轮钢奥氏体晶粒粗化和晶界氧化。奥氏体晶粒粗化会降低其末端淬透性，增加淬火变形量，很多工件由于淬火畸变过大，淬火后精磨处理难以修正变形，导致齿轮生产中材料的利用率只有30%-50%。奥氏体晶粒粗化还会影响其疲劳性能和抗脆断能力，这易导致齿轮断齿或变形，对机械设备产生严重影响，进而造成不可想象的事故。而晶界氧化会导致硬化效果降低。
4.激光表面淬火是一种新型的表面处理技术，也称为激光相变硬化技术，它是一个快速加热、快速冷却的自激淬火过程。传统的淬火工艺原理是把材料加热到一定的温度，在该温度下保持一定的时间，然后在某个介质的作用下给予一定的冷却速度来冷却材料，以实现材料的微观组织结构发生改变，从而达到材料性能改变的目的。与传统技术不同，激光表面淬火技术是将高能量的激光束照射到金属表面，使金属表层的温度急剧升高，激光束离开被照射位置时，由于金属冷态基体对激光照射位置有热传导的作用，零件自身温度急剧降低，进行自冷淬火，进而相变组织发生转变，实现金属表面的相变硬化，最终获得细小马氏体等高硬化层热处理技术。
技术实现要素：
5.本发明的目的，即在于利用激光相变淬火技术，对低碳钢齿轮构件进行渗碳与激光淬火复合强化。
6.本发明的技术方案具体为，一种低碳钢齿轮构件的渗碳与激光淬火复合强化方法，其特征在于包括以下步骤：1）对低碳钢齿轮构件进行渗碳处理；2）对低碳钢齿轮构件进行淬火+回火处理；3）采用激光对低碳钢齿轮构件的轮齿的齿面进行激光扫描，同时，对与正在进行扫描的该齿面相对的该轮齿的另一齿面同步喷吹不活性冷却气体；4）将低碳钢齿轮构件在空气中进行自然冷却。
7.进一步优选的，所述激光与其正在进行扫描的该齿面的法线的夹角α不超过20
°
。
8.进一步优选的，齿全高小于等于5mm时，采用单带扫描的方式；齿全高大于5mm小于等于20mm时，采用多带搭接的扫描方式，条带宽度选择3~5mm，搭接率为30%；齿全高大于20mm小于等于40mm时，条带宽度选择6~8mm，搭接率为20%；齿全高大于40mm，条带宽度选择9~12mm，搭接率为15%。
9.进一步优选的，多带搭接时，相邻搭接两条带的扫描方向相反；同时，同一轮齿的两个相对齿面对应位置的扫描方向也相反。
10.进一步优选的，激光的单位面积有效能量e为25-30j
·
mm-2
。
11.进一步优选的，激光的单位面积有效能量e通过如下公式进行控制，式中，p为激光功率，l为条带宽度，v为扫描速度，r为反射引起的功率损失系数，取值为0.01~0.04。
12.进一步优选的，所述渗碳处理为，首先将构件加热至925-935
°
c，加热过程中在645-655
°
c和845-855
°
c各保温1小时；在925-935
°
c保温15-20min后进行碳化-扩散过程，碳化过程保持925-935
°
c，碳势为1.1%；碳化完成后保持925-935
°
c在0.8%碳势下进行扩散；扩散完成后空冷；完全冷却后，再将构件加热到645-655℃保温2小时进行回火处理，然后再空冷到室温。
13.进一步优选的，渗碳时间t1和扩散时间t2满足如下经验公式：满足如下经验公式：式中w为构件含碳量；k为渗碳经验系数，取值为450~600。
14.进一步优选的，所述淬火+回火处理为，将构件加热到915-925
°
c，保温2小时后油冷进行淬火处理；冷却到室温后将构件再加热到165-175℃保温2小时进行回火处理。
15.与现有技术相比，采用“渗碳+淬火/回火+激光表面淬火”的方法针对低碳钢齿轮构件进行表面强化，可以获得优异的表面性能。本发明的有益效果及原理具体体现为：本发明中的渗碳，是指仅进行一个碳化-扩散过程，然后就进行淬火/回火的处理方法，本发明中的渗碳处理相比于传统渗碳处理在高温下的保温时间大大缩短，齿轮钢的奥氏体晶粒不易粗化，晶界也不易氧化，淬火变形小，但是由于只进行了一个碳化-扩散过程，表面硬度不及常规渗碳处理。为此，本发明利用激光表面淬火对特殊渗碳+淬火/回火处理后的齿轮钢进行表面强化，可以有效改善齿轮表面硬度，激光淬火硬化层深度通常为0.2～0.3mm，因此构件被激光淬火后其表面的硬度和强度都很高，而心部仍可以保持原来的高韧度，使构件获得良好的综合机械性能。
附图说明
16.图1为本发明实施例中渗碳处理的工艺示意图。
17.图2为本发明实施例中淬火+回火处理的工艺示意图。
18.图3为本发明齿面激光扫描的立体示意图。
19.图4为本发明齿面激光扫描的侧视图。
20.图5为本发明激光扫描具有α入射角时的光斑示意图。
21.图6为本发明同一轮齿的相对两个齿面的多带搭接扫描路径示意图。
22.图7为本发明实施例的显微组织照片。
具体实施方式
23.以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
24.具体的，本发明的低碳钢齿轮构件的渗碳与激光淬火复合强化方法主要包含以下几个步骤：1.渗碳处理如图1所示，首先将低碳钢齿轮构件加热至930
°
c，需要注意的是，加热过程并不是一步到位，而是在650
°
c和850
°
c各保温1小时，这能够使钢件内部充分受热，组织均匀。在930
°
c保温15-20min后进行碳化-扩散过程。碳化过程保持930℃，碳势为1.1%，碳化时间为t1。碳化完成后保持930℃在0.8%碳势下扩散t2小时。扩散过程完成后空冷处理。完全冷却后，再将工件加热到650℃保温2小时进行回火处理，然后空冷到室温。
25.特殊渗碳处理时需根据不同钢种调整渗碳和扩散时间，渗碳时间t1和扩散时间t2有如下经验公式：经验公式：式中w为钢件含碳量，k为渗碳经验系数，根据钢种变化，一般取值为450~600，钢中含碳化物形成元素cr、mo、w等越多，渗碳经验系数k越小，钢中含非碳化物形成元素ni、mn、si等越多，渗碳经验系数k越大。
26.2.淬火+回火处理如图2所示，特定渗碳处理完成后，将低碳钢齿轮构件加热到920
°
c，保温2小时时间后进行淬火处理，一般采用油冷。冷却到室温后将工件加热到170℃保温2小时进行回火处理。淬火处理后齿轮硬度大、脆性高、残余应力大，回火处理改善齿轮塑性和韧性，同时减小和消除淬火过程中的热应力和体积应力。
27.3.激光表面淬火处理激光表面淬火处理如图3所示，激光加工头2扫描方式为轴向分齿扫描（沿箭头所示方向扫描），同时如图4所示，扫描时需保证齿轮1、激光加工头2、激光光束3在同一平面内，并尽可能保持激光束3与齿面垂直（即尽量减小激光扫描的入射角α）。如因激光加工头2尺寸限制或齿轮1尺寸限制，激光束3确实无法垂直入射时，应尽量减小入射角α（激光束3与扫描激光入射光光斑点处齿面法线5的夹角），以减少激光的反射，优选不超过20
°
。激光表面淬火时，需在轮齿背面对应位置设置冷却气喷头4，以与扫描同步喷吹不活性冷却气体（如氮气、氩气等），防止齿轮1过热导致回火。
28.由于齿面通常为曲面，扫描条带宽度过大时，不同位置的输入能量差异大，将导致组织不均匀，影响性能，而扫描条带过窄，又会导致加工效率低下，因此激光淬火时需根据齿轮尺寸合理选择扫描方式。经发明人经验发现，齿全高小于等于5mm时，采用单带扫描的
方式；齿全高大于5mm小于等于20mm时，采用多带搭接的扫描方式，条带宽度选择3~5mm，搭接率为30%；齿全高大于20mm小于等于40mm时，条带宽度选择6~8mm，搭接率为20%；齿全高大于40mm，条带宽度选择9~12mm，搭接率为15%。激光垂直入射时，条带宽度等于激光光斑直径。而激光以入射角α入射时，激光光斑为椭圆形（如图5所示，a为椭圆的长轴，b为椭圆的短轴），条带宽度等于长轴长度a（a=dcosα，其中d为激光光斑直径）。多带搭接时，应采用图6所示的扫描方式和路径，相邻条带扫描方向相反，而同一轮齿的相对的两齿面在对应位置的扫描方向也相反，以最大程度上抵消激光淬火产生的应力。
29.激光表面淬火工艺参数的调控实质上是调控单位面积有效能量e，其计算公式如下：式中，p为激光功率，l为条带宽度，v为扫描速度，r为反射等引起的功率损失系数，激光入射角α越大，功率损失系数r越大，可以利用实际使用的激光工艺参数来进行预实验，即在特定激光入射角α下，设定激光功率、扫描速度和条带宽度等参数后，通过公式中其他参数来拟合计算r的数值，经发明人研究和分析发现，r一般为0.01~0.04较为合适。
30.同一齿轮激光表面淬火时需保证单位面积有效能量e相同，以保证齿轮表面组织的均匀性。本发明中，e需根据具体钢种进行调控，一般为25j
·
mm-2
~30j
·
mm-2
。
31.由于激光表面淬火冷却过程为自冷，与传统淬火不同其无需其它冷却介质，能耗低，不污染环境；同时激光表面淬火处理后的构件表面整洁性高，一般无需后续加工即可以使用，因此本发明激光淬火可作为构件加工的最后一道工序。
32.4.后处理激光表面淬火处理后，让构件在空气中自然冷却。完全冷却后，采用表面轮廓测量仪测量工件表面粗糙度，采用表面渗透性检验等方法检验表面缺陷。如果表面粗糙度符合制造要求，且没有裂纹等缺陷，则可交付使用。
33.本发明实施例中具体选用齿全高为40mm的20crmnmo钢齿轮进行试验。渗碳时间为7.5小时，扩散时间为3.75小时，激光垂直入射，激光功率选择2000w，扫描速度选择10mm/s，条带宽度选择8mm，搭接率20%，r为0.03。激光表面淬火完成后，获得了0.25mm的致密无缺陷硬化层，显微组织为细小的马氏体组织（如图7所示），硬度提高了1.3倍。
34.综上所述，本发明利用激光表面淬火技术弥补了特殊渗碳单次碳化-扩散过程的硬度不足，使齿轮钢表面硬度达到甚至超过传统渗碳处理的硬度，同时有着淬火变形小、表面整洁度高、疲劳性能好等优点。因此，可为高性能齿轮钢的表面处理提供一种新型切实可行的处理方法，提高齿轮的承载能力，延长齿轮使用寿命。
35.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。