[发明专利]一种大型齿圈齿面激光淬火液氮冷却方法

说明书

技术领域

 本发明涉及材料表面改性处理技术领域，具体涉及到利用激光热效应对直径5-10m的超大型齿圈进行表面淬火，利用液氮进行超低温冷却，使激光淬火后表面组织全部转达化为马氏体，提高表面显微硬度，提高超大型齿圈耐磨性能。

背景技术

超大型齿圈主要用于传递大型数控机床工作台的回转运动，精度一般控制在0.001 mm，才能保证工作台回转精度和分度精度都控制在0.002 mm以内。现有技术中，超大型齿圈表面常采用高频淬火处理，淬火处理后热变形难于得到控制。

发明内容

本发明专利涉及的超大型齿圈材料为40CrNiMo钢，属于中碳Cr-Ni-Mo系调质钢，利用He-Ne激光的热效应对其表面进行淬火处理，然后在液氮冷却下，使其表面产生马氏体相变。

一种大型齿圈齿面激光淬火液氮冷却方法，利用He-Ne激光作为热源，通过控制激光扫描速度可以精确控制淬火温度；大齿圈表面吸收激光的能量，表面发生马氏体相变；通过液氮冷却，使表面残余奥氏体全部转变为马氏体。

所述激光淬火后，齿圈齿面的表面显微硬度为480-500HV。所述激光淬火后，齿圈齿面形成厚度为0.8~1.2mm的淬火层。

激光淬火、液氮冷却后，表面硬度由调质处理时260Hv-280HV提高到淬火后480-500HV。同时表面变形小，对粗糙度值影响为1NM，可以有效地控制大齿圈的变形和精度。

本专利申请中的技术方案提出了用He-Ne激光对大齿圈表面进行淬火处理，然后用液氮进行冷却，这样减少激光热变形的机会，提高了大齿圈表面精度，同时在液氮的激冷下，可以使大齿圈表面得到完全的马氏体，解决了常规热处理大齿圈的变形和精度不能保证的问题。提高了其使用寿命，具有很重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明激光淬火和液氮冷却的示意图。

图2a为调质处理后齿圈表面的金相组织的示意图。

图2b为激光淬火后齿圈表面的金相组织的示意图。

图3a为调质处理后齿圈表面的粗糙度的示意图。

图3b为激光淬火后齿圈表面的粗糙度的示意图。

图4a为调质处理后齿圈表面的断面形貌示意图。

图4b为激光淬火后齿圈表面的断面形貌示意图。

图5a为磨损试验后调制处理的齿圈表面的表面形貌图。

图5b为磨损试验后经过激光淬火的齿圈表面形貌图。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明的一个优选的实施例做进一步的说明。

超大型齿圈材料为40CrNiMo钢，其化学成分(质量分数，%)：C 0.37-0.44，Si 0.20-0.40，Mn 0.50-0.80，Cr 0.60-0.90，Mo 0.15-0.25，Ni 1.25-1.75，其余为Fe元素。超大型齿圈经粗车、调质处理、滚齿、磨齿、抛光后，用He-Ne激光对其表面进行淬火处理，激光工艺参数为：功率1.5kW，扫描速度6.5mm/s，光斑尺寸Φ4mm。

如图1所示，激光淬火、液氮冷却装置包括激光发生装置1，所述激光发生装置1内包括He-Ne激光器2、光阀3、气缸4，以及吸收池5。激光发生装置产生的激光束6，照射于反光镜7上，所述反光镜7将激光束6改变方向，照射在聚焦镜8上，聚焦镜8底部安装有调整套筒9，激光束通过调整套筒9照射在末端反光镜10上，通过末端反光镜10改变激光照射方向，照射在齿圈齿面11上，所述液氮储存罐12提供液氮冷却。

如图2a所示，调质处理后40CrNiMo的组织为铁素体+珠光体+贝氏体，表面显微硬度为260-280HV。如图2b所示，激光淬火后表面组织马氏体，表面显微硬度提高到480-500HV。

如图3a所示，调质处理后大型齿圈表面粗糙度Ra为35.1nm，激光淬火后表面粗糙度Ra为36.1nm；如图3b所示，激光淬火对表面粗糙度影响很小，这表明激光淬火后大齿圈的变形和精度得到了保证。

如图4b所示，激光淬火后大型齿圈表面获得1mm左右的淬火层。磨损试验后，调质处理后大齿圈表面出现较深的磨痕，如图5a所示；而激光淬火后大齿圈表面磨痕不明显，如图5b所示。调质处理后大型齿圈磨损失重为0.0279g，而激光淬火磨损失重为0.0035g，这表明激光淬火提高了大齿圈的耐磨性能。