M2高速钢齿轮刀具激光表面强化的试验研究

摘要

激光淬火是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，是高能表面强化技术中的一种主要手段，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度，国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。但在齿轮刀具方面，激光表面热处理的成果很少见诸报道，不同研究者对高速钢的激光淬火机理见解不同，甚至相互矛盾。进行齿轮刀具激光表面强化及应用研究，提高高速钢齿轮刀具的耐磨性和使用寿命，具有重要的理论意义和极大的实用价值。
　　本研究采用已崩刃或至重磨极限的W6Mo5Cr4V2插齿刀、指形齿轮铣刀、渐开线花键拉刀、圆柱铣刀以及市售白钢刀条制成试样，进行多种不同扫描功率、扫描速度下激光熔凝淬火，以及570℃一次回火。研究激光熔凝淬火工艺参数对W6Mo5Cr4V2钢表面质量的影响，包括对成形质量、表面平整度、表面粗糙度的影响，从而筛选优化出合理的激光熔凝淬火工艺参数。研究单道激光熔凝淬火对 W6Mo5Cr4V2钢表面洛氏硬度的影响，从而确定不同激光熔凝淬火工艺参数下表面强化的效果。利用显微硬度计测量 W6Mo5Cr4V2钢表面激光加热层显微硬度，拟合硬度曲线并建立数学模型，为各类齿轮刀具精磨余量的制订提供可靠依据。利用SEM及附件 EDS，对试样加热层进行分层，探讨各层在激光熔凝淬火及回火处理过程中微观组织的形成和变化规律。具体结果如下：
　　（1）对W6Mo5Cr4V2钢进行不同激光熔凝淬火工艺参数淬火得到不同的表面硬度，经一次回火后均有明显的二次硬化效应，试样表面洛氏硬度较原始硬度有明显提高。从强化效果及工艺稳定性出发，不建议仅仅只采用激光熔凝淬火来达成强化的目的。
　　（2）合理的激光工艺参数下，试样表面平整度Ry值稳定在18～25μm之间，表面粗糙度参数值Ra稳定在1.7～2.9μm之间，有利于控制精磨余量。
　　（3）激光强化+二次硬化的M2高速钢激光加热层显微组织由外向内可分为5个区域，即熔化区、微熔区、相变硬化区、回火软带和不充分回火区，每个区基本呈同心圆环分布。5个区由外向里分别对应等轴晶及树枝晶、粗等轴晶及细等轴晶、马氏体+残余奥氏体+未熔碳化物、回火索氏体、短暂回火后略微软化的基体组织，且与显微硬度具有良好对应关系。
　　（4）W6Mo5Cr4V2钢合金中的Cr、W、Mo、V等元素与碳所形成的W2C、MoC、Cr23C6、Fe3W3C、Fe4W2C形式的碳化物硬度很高，它们在回火时弥散析出，产生二次硬化效应。顶层熔化区细树枝晶部位细晶强化作用明显，枝晶间有较多原位生成的Cr、Mo W、V的碳化物和氧化物呈弥散分布，出现显微硬度最高峰值，理想的齿轮刀具刀刃应该位于这个区域。
　　（5）齿轮刀具合理的熔凝淬火表面应该是后刀面和侧后刀面。插齿刀激光熔凝淬火时要采用偏置技术并控制插齿刀转动角速度，齿轮滚刀宜采用分光束螺旋扫描。本文修正了插齿刀在激光熔凝淬火时的偏置量。

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第一章 绪论

1.1 研究的目的及背景

1.2 中硬齿面齿轮刀具应用的难点问题

1.3 中硬齿面齿轮刀具激光强化的国内外研究现状

1.4本课题的研究内容及创新点

第二章 M2高速钢表面激光熔凝淬火的工艺试验

2.1 试样制备

2.2 试验设备

2.3 激光熔凝淬火工艺试验

2.4 熔凝淬火试样的表面粗糙度与表面硬度检测

2.5单道激光熔凝淬火强化效果的初步分析

2.6熔凝淬火试样的表面平整度、粗糙度统计分析

第三章 激光熔凝淬火层回火工艺试验及组织性能研究

3.1 熔凝淬火层回火工艺试验

3.2加热层形貌及区域划分

3.3 加热层组织形态、组织成分及成因分析

3.4 加热层硬度检测

3.5组织与显微硬度的对应关系

第四章 齿轮刀具激光熔凝淬火方法与耐磨性研究

4.1 齿轮刀具激光熔凝淬火部位研究

4.2 齿轮刀具后刀面和侧后刀面激光熔凝淬火工艺方法研究

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录