齒輪是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其心部要具有高的強(qiáng)度和沖擊韌性，表面要有較高的硬度、高耐磨性和一定的耐腐蝕性。齒輪失效形式有很多，比較常見的有齒輪折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕、齒面膠合、磨損和齒面的塑性變形。其中，因齒輪表面失效而引起的齒輪傳動(dòng)失效約占74%。

為了提高齒輪的使用性能和使用壽命，必須對(duì)齒輪進(jìn)行表面強(qiáng)化。傳統(tǒng)的改善方法主要有表面滲碳、滲氮或碳氮共滲等化學(xué)熱處理，其工藝較復(fù)雜、處理周期長(zhǎng)、耗能高，且表面硬化不均勻，需要對(duì)滲層進(jìn)一步改性。通常對(duì)滲碳后的齒輪材料會(huì)進(jìn)行淬火+低溫回火的處理，但淬火中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，對(duì)齒輪質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。與常規(guī)的材料表面改性技術(shù)相比，激光表面改性技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如加熱快、材料變形小、表面光潔、可以實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的零件的局部表面處理，且通用性強(qiáng)、無(wú)污染、安全可靠，可以進(jìn)行激光束沖擊強(qiáng)化、激光重熔和合金化及激光表面淬火等，可以獲得齒廓截面上分度圓處最厚及齒頂、齒根處較薄的合理的硬化帶，硬度可達(dá)58HRC以上，比常規(guī)淬火要高15%左右，具有良好的綜合力學(xué)性能。

當(dāng)前，齒輪激光表面改性研究主要針對(duì)中碳齒輪鋼，圍繞低碳鋼激光淬火的相對(duì)較少，還未見滲碳處理后的低碳鋼采用激光淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)淬火+低溫回火的研究。重慶理工大學(xué)和重慶特種焊接材料與技術(shù)高校工程研究中心的研究者們對(duì)低碳合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMo齒輪材料作脈沖激光束表面改性進(jìn)行了研究，探討該技術(shù)應(yīng)用于齒輪表面改性的可行性。

基材前處理：基材為20CrMo低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)預(yù)熱處理（正火處理，工藝參數(shù)為加熱溫度850℃，保溫0.5h，空冷）后，加工成Φ30mm×5mm。

表面強(qiáng)化：20CrMo的常規(guī)滲碳熱處理工藝為：滲碳、油冷后進(jìn)行低溫回火。而脈沖激光表面改性在滲碳處理后直接進(jìn)行表面強(qiáng)化，無(wú)需淬火和低溫回火處理，設(shè)備為HWLW-600型脈沖YAG激光焊機(jī)，工藝參數(shù)：離焦量8，脈沖寬度4ms，頻率2.5Hz，掃描速度10mm/s，峰值功率2.5、3.8、5.0kW，對(duì)應(yīng)單脈沖能量10.0、15.0、20.0J。研究結(jié)果表明：

（1）滲碳后脈沖激光處理表面產(chǎn)生快速熔化、結(jié)晶，形成類似焊縫凝固的形貌特征；隨著照射能量增加，粗糙度增加。

（2）20CrMo合金鋼滲碳后經(jīng)激光照射，表面形成了致密的硬化層，表面硬度顯著上升，最高可達(dá)到約1350HV_3N，比滲碳后淬火+低溫回火處理試樣的提高75%。激光照射能量越大，表層硬化層越厚，15.2J時(shí)厚0.20mm，20.0J時(shí)厚0.35mm。

（3）激光處理試樣的磨損量遠(yuǎn)低于淬火+回火處理試樣，其中15.2J時(shí)的磨損量為淬火+回火處理試樣的42%。激光照射20.0J時(shí)的表面摩擦系數(shù)和磨損量最大，15.2J照射時(shí)的摩擦系數(shù)和磨損量最低。