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随着汽车工业的飞速发展,汽车变速箱也随之受到了消费者和生产厂商的广泛关注。而齿轮作为变速箱的基础环节,其表面频繁发生的点蚀和剥落导致的疲劳失效,逐渐引起了生产厂商的担忧。本课题源自于青山变速箱生产公司和重庆大学汽车协同创新中心,针对青山公司提供的典型变速箱失效齿轮展开失效成因分析,并在此基础上寻求改善变速箱齿轮表面性能的有效方法。即通过激光焊机和激光多金属烧结设备,对20CrMnTi和20MnCr5当下两种应用最为广泛的齿轮钢进行激光表面改性的试验研究。具体为齿轮钢激光单道淬火的试验研究和齿轮钢激光多道搭接全面淬火的试验研究以及齿轮钢表面激光多道搭接熔覆18Ni300铁基粉末的试验研究。并利用光学显微镜、电子显微镜、显微硬度计、销盘磨损仪、电化学工作站等实验设备从材料的微观组织、力学性能、耐磨性、耐蚀性等方面对激光表面改性后的试样进行综合测试和评价分析,探明工艺参数对齿轮钢表面激光改性的影响规律,并获得齿轮表面激光改性的最佳工艺参数。研究结果表明,变速箱失效齿轮材料20CrMnTi齿轮钢的具体失效形式为由破坏性的点蚀和剥落导致的疲劳失效。这是因为在齿轮表面及亚表面渗碳层中有大量的球状和链状夹杂物,从而在齿轮服役过程中,导致齿端尾部齿廓线附近应力集中,使得夹杂物与钢基体分离,成为显微裂纹的萌发点,进一步发展成为点蚀和剥落,并最终导致齿轮疲劳失效。该过程通过数值模拟得到了验证。在20CrMnTi和20MnCr5两种齿轮钢激光表面改性处理的研究中发现,经过激光单道淬火、激光多道搭接全面淬火、激光熔覆18Ni300铁基粉末后,20CrMnTi和20MnCr5两种齿轮钢的力学性能、耐磨性、耐蚀性都得到了显著的提升。其中20CrMnTi齿轮钢激光多道搭接淬火试样中的10号(光斑大小为100μm,扫描间隔为80μm,激光功率为75 W,扫描速度为350 mm/s)试样淬火效果最佳,其表面硬度值可达740 HV,超出原始试样546.3 HV,超出渗碳淬火试样86.6 HV,其淬火层厚度约为50μm,并且耐磨性和耐蚀性优于渗碳淬火和激光单道淬火试样。20CrMnTi齿轮钢的激光熔覆18Ni300粉末的18号试样(光斑大小为100μm,扫描间隔为80μm,激光功率90 W,扫描速度350 mm/s)熔覆效果最为理想,熔覆金属与基体金属冶金结合良好,熔覆层最高显微硬度可达620 HV,熔覆金属层厚约为120μm,过渡区层厚约为20μm,其耐磨性和耐蚀性均优于激光淬火处理试样。