大型重载汽车对于其变速箱齿轮的机械性能有着严格要求，国内多数汽车齿轮钢所用最多的是20CrMnTi和

20CrMnMo等，其热处理工艺为渗碳处理，该类低碳低合金钢可以保证齿轮芯部良好的韧性，保证其具有良好

的抗冲击性能；渗碳处理可使齿面获得高硬度，保证其耐磨损性能。但常规渗碳淬火处理时齿轮会产生较大变形和精度下降等问题^[1,2]。激光淬火是通过高能量密度的激光束快速照射在工件表面上，使其瞬间吸收光能并立刻转化为热能而达到淬火所需相变温度，光斑扫描后的基体和表面之间产生巨大温差而产生自淬火现象，表面的奥氏体大量转化为马氏体，从而获得淬火硬化层的齿面^[3,4]。激光淬火齿轮具有硬度高、耐磨性好、变形小以及精度保证性好等诸多优点。

文中采用含碳量较低的20CrMnMo合金钢作为试验对象，研究了表面渗碳处理后，常规淬火与激光淬火的组织及性能特点。 1 材料及方法 1.1 材料和设备

试验所用齿轮材料为20CrMnMo钢，主要成分见表 1；直齿圆柱齿轮加工方式为滚齿加工，齿轮主要参数为：齿数Z为14、模数m为8、压力角α为20°。激光淬火处理前先进行渗碳并随炉冷却处理，处理后表面含碳量在1.8%左右，硬度平均值为37 HRC。

激光淬火试验设备为HAN*SGS TFL-H10000 CO₂激光器(最大输出功率10 kW)；硬度测定采用HLN200便携式里氏硬度计；微观组织观察采用S-3500N型扫描电镜。 1.2 过程和方法 1.2.1 激光淬火试验过程

试验前对齿轮齿面进行黑化处理以减少激光的反射，增加吸光率。激光输出为圆形光斑，扫描方式为分齿搭接扫描，扫描部位为齿面分度圆线及其周围^[5,6]，如图 1所示。激光功率、扫描速度和光斑大小是试验的主要变量，选取原则如下：

图 1 激光扫描路径及黑化处理残留Fig. 1 Scanning path of laser and the residues of blackening processing

图选项

根据有限元模拟结果取适当光斑大小d为 10 mm，功率P在1 700~2 700 W之间变化(间隔为200 W) ，速度v分别取390、630、750、870和1 110 mm/min，并与功率各参数组成正交试验；通过硬度测量获得最佳的速度值为750 mm/min，然后再做光斑直径和功率之间的正交试验，其中功率取值不变，光斑直径取值为8~14 mm(间隔为2 mm) 。 1.2.2 硬度测定方法和方案

齿轮齿面为渐开线曲面，且测量时相邻轮齿之间会干涉，所以一般硬度计无法完成齿轮齿面的硬度测量。比较方便的是使用便携式硬度计进行齿面测量，再通过测量同样硬度的平面硬度值进行补偿修正得到正确的齿面硬度。见表 2，渗碳淬火热处理的齿轮，齿面硬度应该和基体平面硬度一致，比较可得便携式硬度仪的偏差值在8.8 HRC左右。

硬度测定点选取方法：沿激光扫描方向顺次选择5个点(点选取在淬火带中间位置，便于准确测量硬度值；偏离分度圆的其他位置硬度值与中间位置没有太大区别且由于曲度和临齿干涉等原因，测量较困难，故暂不考虑)进行硬度测定，再取平均值，取点示意图见图 2。

图 2 齿面硬度测定取点示意图Fig. 2 Schematic diagram of the selecting points of tooth surface hardness

图选项

选择5种不同加工类型和加工参数的轮齿制备试样。步骤如下：

(1) 采用线切割从齿轮上切割10 mm×10 mm左右的试样块，切割方法如图 3。

图 3 试样切割示意图Fig. 3 Schematic diagrams of the sample made by wire-electrode cutting

图选项

(2) 由于齿轮表面是一个渐开线曲面，在进行微光组织观察时必须做成平面，所以需要把试样齿面的主要淬火区域用砂纸磨出一个小平面并进行抛光。

(3) 将试样放入4%硝酸酒精溶液中腐蚀，腐蚀时间20 s左右，清洗之后立即烘干并送入SEM试验机中进行微观组织观察。

表 3为5种试样的处理方式和硬度值，其中A组为渗碳后直接淬火，采用油冷(温度在110 ℃左右)，表面含碳量在1.8%左右；B~E组为不同参数下渗碳后激光淬火处理的齿轮，参数见表 4和表 5。

根据修正值测得两组试验的硬度值如表 4(对应的光斑直径为定值：d=10 mm)和表 5(对应的扫描速度为定值：v=750 mm/min)。 2.2 数据处理和讨论

根据查阅资料和国家标准(GB/T 8539-2000)，对于20CrMnMo钢材料的重载汽车大模数齿轮的硬度要求在58~64 HRC，则表 3中满足要求的试验组有8、20、44、51和52号轮齿。 选用Matlab软件对数据做进一步的处理，由表 4得到功率和速度对齿面硬度影响的三维曲面图和等高线(如图 4)；由表 5得到功率和光斑直径对齿面硬度影响的三维曲面图和等高线(见图 5)。

图 4 功率和速度对齿面硬度影响的三维图和等高线Fig. 4 3D hook face and contour of tooth surface hardness impacted by powers and velocities

图选项

由图 4和图 5分析可得，在齿轮的激光淬火试验中，激光功率、扫描速度和激光光斑直径对齿面硬度有着直接的影响，不同的参数配合会造成齿面硬度的极大变化，并且三者对其影响的变化趋势都有着自己独特的规律。

图 5 功率和光斑直径对齿面硬度影响的三维图和等高线 Fig. 5 3D hook face and contour of tooth surface hardness impacted by powers and spot diameters

图选项

(1) 激光功率

根据热处理国家标准，20CrMnMo钢的淬火温度需保证在850 ℃左右，即要求激光输出功率在一定范围内，偏小则达不到淬火温度要求；偏大则会使齿面发生较大变形甚至熔融。根据齿面硬度变化曲面图可得出激光功率对齿面硬度的影响是先促进后减弱的。

(2) 扫描速度

扫描速度过慢会产生热流积累效应，即淬火区域温度过高且持续时间很长，导致淬火区又经历了高温的回火，硬度大幅降低；反之，速度过快则温度达不到淬火要求。根据图 4可以看出速度对硬度的影响要比功率更加明显，必须在适当的速度下才能获得较高的硬度值。

(3) 光斑直径

从图 5可以看出，光斑大小对齿面硬度的影响并不像速度那么明显，但光斑大小会影响搭接的次数进一步影响加工的质量和效率。如果光斑太小，一方面会使得同样面积的加工区域扫描次数增加；另一方面会因过于聚焦导致齿面烧熔。因此，光斑直径应尽量选择较大值，但过大的直径就要求更大的激光功率输出，增加加工成本，故也不可取。

综合可知，激光淬火中的3大影响参数均需要进行选择，并通过试验反复配合比较而确定^[7]。通过试验，初步获得对20CrMnMo钢齿轮渗碳后激光淬火的最佳加工参数为：激光功率为2 300 W，扫描速度为750 mm/min，光斑直径为14 mm。 3 齿面显微组织形貌与分析 3.1 齿面显微组织形貌

表 3中A~E组试样的扫描电镜组织形貌分别如图 6~7所示。

图 6 渗碳淬火齿轮齿面的形貌Fig. 6 Morphologies of the tooth surface treated by carburizing and quenching of sample A (59.1 HRC)

图选项

由图 6分析可知：经渗碳后直接淬火的齿面组织，成分为针状马氏体，分布较稠密，但组织过于杂乱，没有明显的界限和清晰的形状。

由图 7分析可得：B组参数淬火后组织为较大形状的板条状马氏体，其间夹杂十分致密的针状马氏体；C组的微观组织与B组是一致的，不同的是针状马氏体没有前者致密，反而板条状马氏体较多。这也是该试验组齿面硬度并不是很高的原因；D组齿面有微熔的现象，微观组织为粗大的并带有牵连的针状马氏体。这是由于功率较大和扫描速度较慢造成回火温度较高，使生成的针状马氏体晶粒进一步长大和依附，最终粗大的晶粒降低了齿面的硬度以及齿面的精度；E组齿面有严重烧熔现象。根据分析，此试验组齿面微观组织为回火索氏体，它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体和粒状碳化物的混合物。形成原因应该是激光功率过高且光斑直径过小，导致温度过高。

图 7 渗碳后激光淬火齿面的形貌Fig. 7 Morphologies of the tooth surface treated by laser quenching after carburizing

图选项

选择马氏体较清晰、硬度值较高的B组试样的微观组织进行马氏体晶粒度得测定。由于针状马氏体密度很大，无法测量其晶粒度，但板条状马氏体较清晰，可以借鉴“晶粒度面积计算法”或者“弦计算法”对其进行晶粒度测定^[8,9]。

“面积法”原则为：将试样SEM图导入CAD中，划出约5 000 mm²的圆(也可小些，但要保证圆内晶粒数不少于50个)，然后数出圆内晶粒数z和与圆周交截的晶粒度n，按下式计算出一个晶粒的平均面积a(mm²)。

式中： F _k为圆的面积，mm²； V 为放大倍数。根据图 7中(a)图计算可得：

根据 a 值查表 6—“钢的晶粒度测定标准(参考YB27-77)”，确定晶粒度约为9级左右。再通过直接计算方法，测得单个晶粒的平均弦长为0.01 mm左右，在表 6中查得的晶粒度也在9级左右。故此可以确定，经上述加工参数处理的齿面，板条状马氏体晶粒度在9级左右。另外，根据图 7中(b)图用同样方法测得该组板条状马氏体晶粒度在9~10级之间，比B组稍低。根据晶粒度等级和硬度值对比分析可知，B组试样的淬火效果最好，其加工参数是最优的。

通过对20CrMnMo材料的齿轮进行渗碳淬火、观察微观组织以及测定部分试样晶粒度，得出了该材料齿轮激光淬火的相关工艺规律。