齿轮是机械传动系统中的关键部件，其心部要具有高的强度和冲击韧性，表面要有较高的硬度、高耐磨性和一定的耐腐蚀性。齿轮失效形式有很多，比较常见的有齿轮折断、齿面疲劳点蚀、齿面胶合、磨损和齿面的塑性变形。其中，因齿轮表面失效而引起的齿轮传动失效约占74%。

为了提高齿轮的使用性能和使用寿命，必须对齿轮进行表面强化。传统的改善方法主要有表面渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理，其工艺较复杂、处理周期长、耗能高，且表面硬化不均匀，需要对渗层进一步改性。通常对渗碳后的齿轮材料会进行淬火+低温回火的处理，但淬火中会产生较大的应力和变形，对齿轮质量产生不利影响。与常规的材料表面改性技术相比，激光表面改性技术有着独特的优势，如加热快、材料变形小、表面光洁、可以实现形状复杂的零件的局部表面处理，且通用性强、无污染、安全可靠，可以进行激光束冲击强化、激光重熔和合金化及激光表面淬火等，可以获得齿廓截面上分度圆处最厚及齿顶、齿根处较薄的合理的硬化带，硬度可达58HRC以上，比常规淬火要高15%左右，具有良好的综合力学性能。

当前，齿轮激光表面改性研究主要针对中碳齿轮钢，围绕低碳钢激光淬火的相对较少，还未见渗碳处理后的低碳钢采用激光淬火代替传统淬火+低温回火的研究。重庆理工大学和重庆特种焊接材料与技术高校工程研究中心的研究者们对低碳合金结构钢20CrMo齿轮材料作脉冲激光束表面改性进行了研究，探讨该技术应用于齿轮表面改性的可行性。

基材前处理：基材为20CrMo低碳合金结构钢，经预热处理（正火处理，工艺参数为加热温度850℃，保温0.5h，空冷）后，加工成Φ30mm×5mm。

表面强化：20CrMo的常规渗碳热处理工艺为：渗碳、油冷后进行低温回火。而脉冲激光表面改性在渗碳处理后直接进行表面强化，无需淬火和低温回火处理，设备为HWLW-600型脉冲YAG激光焊机，工艺参数：离焦量8，脉冲宽度4ms，频率2.5Hz，扫描速度10mm/s，峰值功率2.5、3.8、5.0kW，对应单脉冲能量10.0、15.0、20.0J。研究结果表明：

（1）渗碳后脉冲激光处理表面产生快速熔化、结晶，形成类似焊缝凝固的形貌特征；随着照射能量增加，粗糙度增加。

（2）20CrMo合金钢渗碳后经激光照射，表面形成了致密的硬化层，表面硬度显著上升，最高可达到约1350HV_3N，比渗碳后淬火+低温回火处理试样的提高75%。激光照射能量越大，表层硬化层越厚，15.2J时厚0.20mm，20.0J时厚0.35mm。

（3）激光处理试样的磨损量远低于淬火+回火处理试样，其中15.2J时的磨损量为淬火+回火处理试样的42%。激光照射20.0J时的表面摩擦系数和磨损量最大，15.2J照射时的摩擦系数和磨损量最低。