npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.56304/S2079562922050190npe-172Research ArticleТвердые тела в экстремальных условияхSolids Under Extreme ConditionsОпределение размеров зоны упрочнения по температурным полям в процессе лазерной обработкиDetermining the Size of the Hardening Zone by Temperature Fields During Laser ProcessingИшкиняевЭ. Д.IshkinyaevE. D.

Фрязино, 141195;

Москва, 115409

Fryazino, 141195;

Moscow, 115409

ishkinyaev.emil@gmail.comХриптовичЕ. В.KhriptovichE. V.

Фрязино, 141195;

Москва, 105005

Fryazino, 141195;

Moscow, 105005

ВороновВ. Д.VoronovV. D.

Фрязино, 141195;

Москва, 115409

Fryazino, 141195;

Moscow, 115409

ПетровскийВ. Н.PetrovskiyV. N.

Москва, 115409

Moscow, 115409

ШигановИ. Н.ShiganovI. N.

Москва, 105005

Moscow, 105005

ООО Научно-технического объединение “ИРЭ-Полюс”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”РоссияIPG IRE-Polus; National Research Nuclear University (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationООО Научно-технического объединение “ИРЭ-Полюс”; Москвоский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияIPG IRE-Polus; Bauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”РоссияNational Research Nuclear University (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationМосквоский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202331122023143289295Copyright © Ишкиняев Э.Д., Хриптович Е.В., Воронов В.Д., Петровский В.Н., Шиганов И.Н., 20232023Ишкиняев Э.Д., Хриптович Е.В., Воронов В.Д., Петровский В.Н., Шиганов И.Н.Ishkinyaev E.D., Khriptovich E.V., Voronov V.D., Petrovskiy V.N., Shiganov I.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/172

Получение однородной закалки приповерхностной области на заданную глубину требует точного подбора и контроля параметров излучения в зависимости от геометрии и свойств детали. Так как лазерная закалка производится локально с пошаговой обработкой всей поверхности, аккумулированное тепло приводит к росту глубины закалки и оплавлению. Во избежание неравномерности по глубине необходимо варьировать технологические параметры в процессе обработки для поддержания стационарного нагрева материала. Экспериментальный подбор режимов обычно занимает чрезмерное количество времени и материальных ресурсов. В данной статье представлена методика математического моделирования процесса закалки высокоуглеродистой стали путем расчета температурных полей, индуцированных лазерным излучением. Граница зоны закалки определялась по изотерме, соответствующей критической температуре аустенизации в соответствии со скоростью охлаждения. Экспериментальная верификация модели проведена на инструментальных сталях с содержаниями углерода 0.7 и 1.2%. Показано влияние основных технологических параметров процесса обработки (мощность излучения, диаметр лазерного пятна, скорость обработки) на глубину и ширину зоны закалки. В работе также представлено применение построенной модели для подбора режимов многопроходной закалки на постоянную глубину без оплавления. Также рассмотрен эффект разупрочнения закаленной области вследствие повторного нагрева при многопроходной обработке.

Obtaining a uniform hardening of the near-surface area to a given depth requires precise selection and control of laser radiation parameters, depending on the part geometry and its properties. Since laser irradiation is performed locally with step-by-step processing of the entire surface, the accumulated heat leads to an increase in the hardening depth and surface melting. In order to avoid depth unevenness, it is necessary to vary laser energy supply during processing to maintain a stationary heating of the material. Experimental selection of technological parameters usually takes an excessive amount of time and material resources. This article presents a technique of mathematical modeling of the high-carbon tool steels hardening process by calculating the temperature fields induced by laser radiation. The boundary of the hardening zone was determined as the isotherm of the corresponding austenitizing critical temperature in accordance with the heating rate. Experimental verification of the model was carried out on tool steels with carbon content of 0.7% and 1.2%. The influence of the main processing technological parameters (radiation power, laser spot diameter and scanning speed) on the hardening zone size is shown. The paper also presents the use of the built model for selection of the technological parameters of multi-track treatment to harden material to a constant depth without surface melting. The effect of back tempering in overlapped regions is also considered.

лазерная закалкатеплопроводностькомпьютерное моделированиеинструментальные сталиотпуск мартенситаlaser hardeningheat transfercomputer modelingtool steelsback temperingReferencesKlocke F., Schulz M., Gräfe S. // Coatings. 2017. V. 7 (6). P. 77. https://doi.org/10.3390/coatings7060077Klocke F., Schulz M., Gräfe S. // Coatings. 2017. V. 7 (6). P. 77. https://doi.org/10.3390/coatings7060077Ogawa K.et al. // Adv. Mater. Process. Technol. 2019. V. 5 (3). P. 379−385. https://doi.org/10.1080/2374068X.2019.1614360Ogawa K.et al. // Adv. Mater. Process. Technol. 2019. V. 5 (3). P. 379−385. https://doi.org/10.1080/2374068X.2019.1614360Mole N. et al. // Metals (Basel). 2018. V. 8 (12). P. 1016. https://doi.org/10.3390/met8121016Mole N. et al. // Metals (Basel). 2018. V. 8 (12). P. 1016. https://doi.org/10.3390/met8121016Marimuthu P. // Emerg. Mater. Res. 2019. V. 8 (2). P. 188−205. https://doi.org/10.1680/jemmr.16.00145Marimuthu P. // Emerg. Mater. Res. 2019. V. 8 (2). P. 188−205. https://doi.org/10.1680/jemmr.16.00145Barka N. et al. // Coatings. 2020. V. 10 (4). P. 342. https://doi.org/10.3390/coatings10040342Barka N. et al. // Coatings. 2020. V. 10 (4). P. 342. https://doi.org/10.3390/coatings10040342Bailey N.S., Tan W., Shin Y.C. // Surf. Coat. Technol. 2009. V. 203 (14). P. 2003−2012. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.01.039Bailey N.S., Tan W., Shin Y.C. // Surf. Coat. Technol. 2009. V. 203 (14). P. 2003−2012. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.01.039Orazi L. et al. // Appl. Surf. Sci. 2010. V. 256 (6). P.1913−1919. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.10.037Orazi L. et al. // Appl. Surf. Sci. 2010. V. 256 (6). P.1913−1919. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.10.037Yaakoubi M., Kchaou M., Dammak F. // Comput. Mater. Sci. V. 68. P. 297−306. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.10.001Yaakoubi M., Kchaou M., Dammak F. // Comput. Mater. Sci. V. 68. P. 297−306. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.10.001Ki H., So S. // Opt. Laser Technol. 2012. V. 44 (7). P. 2106−2114. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.03.018Ki H., So S. // Opt. Laser Technol. 2012. V. 44 (7). P. 2106−2114. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.03.018Patwa R., Shin Y.C. // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2007. V. 47 (2). P. 307−320. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.03.016Patwa R., Shin Y.C. // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2007. V. 47 (2). P. 307−320. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.03.016Orazi L., Rota A., Reggiani B. // Int. J. Mech. Mater. Eng. 2021. V. 16 (1). P. 1. https://doi.org/10.1186/s40712-020-00124-0Orazi L., Rota A., Reggiani B. // Int. J. Mech. Mater. Eng. 2021. V. 16 (1). P. 1. https://doi.org/10.1186/s40712-020-00124-0Bojinović M., Mole N., Štok B. // Surf. Coatings Technol. 2015. V. 273 (1). P. 60−76. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.01.075Bojinović M., Mole N., Štok B. // Surf. Coatings Technol. 2015. V. 273 (1). P. 60−76. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.01.075Lakhkar R.S., Shin Y.C., Krane M.J.M. // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 480 (1−2). P. 209−217. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.07.054Lakhkar R.S., Shin Y.C., Krane M.J.M. // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 480 (1−2). P. 209−217. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.07.054Giorleo L., Previtali B., Semeraro Q. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2011. V. 54 (9-12). P. 969−977. https://doi.org/10.1007/s00170-010-3008-5Giorleo L., Previtali B., Semeraro Q. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2011. V. 54 (9-12). P. 969−977. https://doi.org/10.1007/s00170-010-3008-5Indhu R. et al. // Lasers Manuf. Mater. Process. 2018. V. 5 (4). P. 458−481. https://doi.org/10.1007/s40516-018-0075-1Indhu R. et al. // Lasers Manuf. Mater. Process. 2018. V. 5 (4). P. 458−481. https://doi.org/10.1007/s40516-018-0075-1

The authors declare that there are no conflicts of interest present.