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H13钢表面激光淬火仿真分析及实验研究

明智 姚芳萍 李金华

明智, 姚芳萍, 李金华. H13钢表面激光淬火仿真分析及实验研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (11): 39-46. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.11.006
引用本文: 明智, 姚芳萍, 李金华. H13钢表面激光淬火仿真分析及实验研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (11): 39-46. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.11.006
MING Zhi, YAO Fangping, LI Jinhua. Simulation analysis and experimental research on laser quenching of H13 steel surface[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (11): 39-46. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.11.006
Citation: MING Zhi, YAO Fangping, LI Jinhua. Simulation analysis and experimental research on laser quenching of H13 steel surface[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (11): 39-46. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.11.006

H13钢表面激光淬火仿真分析及实验研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.11.006
基金项目: 辽宁省教育厅项目(LJKMZ20220969)
详细信息
    作者简介:

    明智,男,1997年生,硕士研究生,研究方向为精密与特种加工技术。E-mail:792950216@qq.com

    通讯作者:

    姚芳萍,女,1980年生,博士,副教授,研究方向为激光焊接、激光表面改性。E-mail:yyaofangping@163.com

  • 中图分类号: TG156.3

Simulation analysis and experimental research on laser quenching of H13 steel surface

  • 摘要: 为了探究激光功率对H13钢激光淬火后表面改性层的影响,制备出最优工艺参数下的激光淬火改性层,采用COMSOL有限元分析软件对H13钢淬火过程温度演变规律进行仿真分析,预测淬硬层深度,并进行激光淬火实验。使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和显微硬度计等对H13钢激光淬火后的宏观形貌、组织演变机理、元素及显微硬度进行分析。结果表明:仿真预测的淬硬层深度与实验结果基本一致;激光扫描区域深度方向上组织细化明显,硬度呈梯度分布;自淬火表面向内分为相变硬化区、过渡区、基体,相变硬化区组织由原始珠光体、铁素体演变为细针状或板条状马氏体组织;当激光工艺参数选取不当时会造成过烧熔凝现象,影响工件表面平整度;当激光功率为600 W、扫描速度为10 mm/s时,淬硬层深度可达0.41 mm,最高显微硬度为709.6 HV0.3,约为基体的3倍。

     

  • 图  1  有限元模型网格划分

    图  2  高斯热源模型及扫描路径示意图

    图  3  淬火过程不同时刻温度分布云图

    图  4  截面处温度分布云图

    图  5  深度节点示意图

    图  6  不同激光功率时各样点的温度曲线图

    图  7  不同激光功率下H13钢激光淬火后的表面形貌

    图  8  不同激光功率中间截面处淬火区形貌图

    图  9  激光功率与淬火区深度、宽度关系图

    图  10  激光淬火区SEM组织图

    图  11  激光功率对H13钢截面显微硬度的分布情况

    图  12  淬硬层深度仿真值与实验值的对比

    表  1  H13钢的热物性参数

    温度/ ℃ 20 200 350 650
    导热系数/(W/(m· ℃)) 32.2 28.6 28.4 28.8
    温度/ ℃ 20 500 600 700
    比热容/(kg· ℃) 460 548 590 600
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    表  2  各组试样表面温度模拟数据

    工艺编号 激光功率/W 表面峰值温度/ ℃
    1 300 738.8
    2 350 854.2
    3 400 972.8
    4 450 1 089.7
    5 500 1 205.4
    6 550 1 320.5
    7 600 1 435.6
    8 650 1 549.7
    9 700 1 648.9
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    表  3  H13化学成分表 (%)

    C Mn Si Cr P S V Mo
    0.32~
    0.45
    0.20~
    0.50
    0.80~
    1.20
    4.75~
    5.50
    ≤0.03 ≤0.03 0.80~
    1.20
    1.10~
    1.75
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    表  4  能谱中A点和B点的成分含量 (%)

    元素 C Cr Mo V Si Fe
    A 4.1 6.8 1.7 1.46 0.88 83.8
    B 5.57 12.02 1.41 1.32 0.69 78.99
    下载: 导出CSV
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  • 修回日期:  2023-07-12
  • 网络出版日期:  2023-11-07

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