blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-4-357-365blackmet-2936Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПредельные энергетические характеристики при лазерной импульсной обработке вольфрамокобальтовых твердых сплавовLimiting energy characteristics during laser pulse treatment of tungsten-cobalt hard alloyshttps://orcid.org/0000-0001-5299-886XЯреськоС. И.YareskoS. I.

Сергей Игоревич Яресько, д.т.н., заведующий лабораторией лазерно-индуцированных процессов

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Sergei I. Yaresko, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Laser-Induced Processes

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

serg19541959@mail.ruБалакировС. Н.BalakirovS. N.

Сергей Николаевич Балакиров, инженер лаборатории лазерно-индуцированных процессов

Россия, 443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221

Sergei N. Balakirov, Engineer of the Laboratory of Laser-Induced Processes

221 Novo-Sadovaya Str., Samara 443011, Russian Federation

s.balakirov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1310-1284ОсколковаТ. Н.OskolkovaT. N.

Татьяна Николаевна Осколкова, д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Tat’yana N. Oskolkova, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Ferrous Metal­lurgy and Chemical Technology

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

oskolkova@kuz.ruСамарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАНРоссияSamara Branch of the Lebedev Institute of Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202522082025684357365Copyright © Яресько С.И., Балакиров С.Н., Осколкова Т.Н., 20252025Яресько С.И., Балакиров С.Н., Осколкова Т.Н.Yaresko S.I., Balakirov S.N., Oskolkova T.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2936

Рассматриваемый аналитический метод определения оптимального режима упрочняющей импульсной лазерной обработки (ЛО) вольфрамокобальтовых твердых сплавов основан на исследовании закономерностей формирования температурного поля при упрочнении твердых сплавов, определении термических напряжений, возникающих в зоне лазерного воздействия (ЗЛВ) при лазерной импульсной обработке, и сравнении их с напряжениями разрушения отдельных структурных элементов сплава. Оптимальными режимами упрочняющей ЛО сплавов группы ВК считаются режимы, удовлетворяющие двум критериям. Во-первых, температура на поверхности ЗЛВ должна находиться в интервале 1290 °С < T < 1400 °С, когда в ЗЛВ не присутствуют разупрочняющие сплав фазы типов η-Co3W3C, θ-Co3W2C, χ-Co3W9C4 , а укрупнение зерен карбидной фазы незначительно. Во-вторых, в ЗЛВ недопустимо появление трещин произвольного масштаба, то есть термические напряжения, возникающие в результате ЛО, не должны превышать напряжений разрушения структурных элементов сплава. Расчет термических напряжений, возникающих в твердом сплаве при лазерной обработке в пределах одного карбидного зерна, выполняется в соответствии с законом Гука. Расчеты, выполненные как для однократной, так и для многократной обработки, позволяют установить, что для всех исследованных режимов при вариации плотности энергии лазерного излучения от 0,9 до 1,8 Дж/мм2 и кратности обработки от 1 до 10, когда температура на поверхности находится в диапазоне 1290 ‒ 1400 °С, термические напряжения в карбидной фазе меньше минимальных напряжений разрушения и не превосходят 80 МПа. Предложенный аналитический метод определения предельных энергетических характеристик позволяет установить режимы импульсной ЛО, которые обеспечивают дисперсионное упрочнение твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы при отсутствии деструктивных изменений в ЗЛВ. Полученные данные о режимах бездефектной лазерной обработки хорошо согласуются с более ранними результатами измерений сигнала акустической эмиссии при обработке твердых сплавов (сплава ВК8).

The considered analytical method for determining the optimal mode of hardening pulsed laser treatment (LT) of tungsten-cobalt hard alloys is based on the study of the patterns of temperature field formation during hardening of hard alloys, determination of thermal stresses occurring in the laser exposure zone (LEZ) during laser pulse treatment, and their comparison with the stresses of fracture of the alloy individual structural elements. The optimal modes of hardening LT of the alloys of WC group are considered to be modes that meet two criteria. First, the temperature on the LEZ surface should be in the range of 1290 °C < T < 1400 °C, when the alloy does not contain weakening it phases of the η-Co3W3C, θ-Co3W2C, or χ-Co3W9C4 types, and increase in grain size of the carbide phase is insignificant. Secondly, cracks of an arbitrary scale are unaccep­table in the LEZ, that is, the thermal stresses resulting from the fracture should not exceed the stresses of fracture of the alloy structural elements. The calculation of thermal stresses occurring in a hard alloy during LT within a single carbide grain was carried out in accordance with the Hooke’s law. Calculations performed for both single and multiple treatments allow us to establish that for all the studied modes, with variations in the laser energy density from 0.9 to 1.8 J/mm2 and treatment multiplicity from 1 to 10, when the surface temperature is in the range of 1290 – 1400 °C, the thermal stresses in the carbide phase are lower than minimum fracture stresses and do not exceed 80 MPa. The proposed analytical method for determining the limiting energy characteristics makes it possible to establish pulsed LT modes that provide dispersion hardening of hard alloys of the WC group in the absence of destructive changes in the material. The data obtained on defect-free LT modes are in good agreement with the earlier results of measurements of acoustic emission signals during treatment of hard alloys (VK8 alloy).

лазерная импульсная обработкавольфрамокобальтовый твердый сплавтрещиностойкостьтемпературное полетермичес­кие напряженияградиент температурыкарбидная фазаlaser pulse treatmenttungsten-cobalt hard alloycrack resistancetemperature fieldthermal stressestemperature gradientcarbide phaseReferencesЛошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова думка; 1984:328.Loshak M.G. Strength and Durability of Hard Alloys. Kiev: Naukova dumka; 1984:328. (In Russ.).Яресько С.И., Осколкова Т.Н., Балакиров С.Н. Модификация структуры и свойств вольфрамокобальтовых твердых сплавов. Москва; Вологда: Инфра-Инженерия; 2023:400.Yaresko S.I., Oskolkova T.N., Balakirov S.N. Modification of Structure and Properties of Tungsten-Cobalt Hard Alloys. Moscow; Vologda: Infra-Inzheneriya; 2023:400. (In Russ.).Zimmermann M., Kirsch B., Kang Y., Herrmann T., Aurich J.C. Influence of the laser parameters on the cutting edge preparation and the performance of cemented carbide indexable inserts. Journal of Manufacturing Processes. 2000;58:845‒856. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.09.003Zimmermann M., Kirsch B., Kang Y., Herrmann T., Aurich J.C. Influence of the laser parameters on the cutting edge preparation and the performance of cemented carbide indexable inserts. Journal of Manufacturing Processes. 2000;58:845‒856. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.09.003Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. Москва: Машиностроение; 2008:311.Tabakov V.P. Formation of Wear-Resistant Ion-Plasma Coatings for Cutting Tools. Moscow: Mashinostroenie; 2008:311. (In Russ.).Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий на инструмент. Москва: ИТО; 2007:64.Grigor’ev S.N., Volosova M.A. Coating of Tools. Moscow: ITO; 2007:64. (In Russ.).Яресько С.И. Влияние состава кобальтовой фазы твердых сплавов на изнашивание инструмента после лазерного упрочнения. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009;(2):54‒61.Yares’ko S.I. The effect of cobalt phase composition in hard alloys on tool wear after laser hardening. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2009;(2):54‒61. (In Russ.).Karatas C., Yilbas B.S., Aleem A., Ahsan M. Laser treatment of cemented carbide cutting tool. Journal of Materials Processing Technology. 2007;183(2-3):234‒240. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.10.012Karatas C., Yilbas B.S., Aleem A., Ahsan M. Laser treatment of cemented carbide cutting tool. Journal of Materials Processing Technology. 2007;183(2-3):234‒240. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.10.012Осколкова Т.Н., Глезер А.М. Современное состояние научной проблемы поверхностного упрочнения карбидовольфрамовых твердых сплавов (обзор). Известия вузов. Черная металлургия. 2017;60(12):980‒991. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-12-980-991Oskolkova T.N., Glezer A.M. Current state of the scien­tific problem of WC–Co hard alloys surface harde­ning (Review). Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017; 60(12):980‒991. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-12-980-991Li T., Lou Q., Dong J., Wei Y., Liu J. Phase transformation during surface ablation of cobalt-cemented tungsten carbide with pulsed UV laser. Applied Physics A. 2001;73(3):391‒397. https://doi.org/10.1007/s003390100745Li T., Lou Q., Dong J., Wei Y., Liu J. Phase transformation during surface ablation of cobalt-cemented tungsten carbide with pulsed UV laser. Applied Physics A. 2001;73(3):391‒397. https://doi.org/10.1007/s003390100745Kolodziejczak P., Wilkowski J., Barlak M. Modification of the surfaces of wood cutting tools using CO2 laser – SEM analysis. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Forestry and Wood Technology. 2017;98:48‒52.Kolodziejczak P., Wilkowski J., Barlak M. Modification of the surfaces of wood cutting tools using CO2 laser – SEM analysis. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Forestry and Wood Technology. 2017;98:48‒52.Yilbas B.S., Shuja S.Z., Khan S.M.A. Laser repetitive pulse heating of tool surface. Optics & Laser Technology. 2011;43(4):754‒761. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2010.12.013Yilbas B.S., Shuja S.Z., Khan S.M.A. Laser repetitive pulse heating of tool surface. Optics & Laser Technology. 2011;43(4):754‒761. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2010.12.013Hazzan K.E., Pacella M., See T.L. Understanding the surface integrity of laser surface engineered tungsten carbide. The International Journal of Advanced Manufacturing Techno­logy. 2022;118:1141‒1163. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07885-8Hazzan K.E., Pacella M., See T.L. Understanding the surface integrity of laser surface engineered tungsten carbide. The International Journal of Advanced Manufacturing Techno­logy. 2022;118:1141‒1163. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07885-8Schwanekamp T., Gussone J., Reuber M. Impact of laser irradiation on microstructure and phase development of tungsten carbide-cobalt. Procedia CIRP. 2020;94:239‒242. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.045Schwanekamp T., Gussone J., Reuber M. Impact of laser irradiation on microstructure and phase development of tungsten carbide-cobalt. Procedia CIRP. 2020;94:239‒242. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.045Yilbas B.S., Arif A.F.M., Karatas C., Ahsan M. Cemented carbide cutting tool: Laser processing and thermal stress analysis. Applied Surface Science. 2007;253(12):5544–5552. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.12.123Yilbas B.S., Arif A.F.M., Karatas C., Ahsan M. Cemented carbide cutting tool: Laser processing and thermal stress analysis. Applied Surface Science. 2007;253(12):5544–5552. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.12.123Яресько С.И. Анализ стойкости и изнашивания твердосплавного инструмента после лазерной термообработки. Известия СамНЦ РАН. 2001;3(1):27‒37.Yares’ko S.I. Wear and wear resistance analysis of hard alloy tools after laser treatment. Izvestiya SamNTs RAN. 2001;3(1):27‒37. (In Russ.).Kresse T., Meinhard D., Bernthaler T., Schneider G. Hardness of WC‒Co hard metals: Preparation, quantitative microstructure analysis, structure-property relationship and modelling. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2018;75:287‒293. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.05.003Kresse T., Meinhard D., Bernthaler T., Schneider G. Hardness of WC‒Co hard metals: Preparation, quantitative microstructure analysis, structure-property relationship and modelling. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2018;75:287‒293. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.05.003Кабалдин Ю.Г., Серый С.В., Кретинин О.В., Лаптев И.Л. Самоорганизация и наноструктурные процессы при резании металлов. Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алек­сеева; 2014:173.Kabaldin Yu.G., Seryi S.V., Kretinin O.V., Laptev I.L. Self-Organization and Nanostructural Processes in Metal Cutting. Nizhny Novgorod: Alekseev NSTU; 2014:173. (In Russ.).Кабалдин Ю.Г., Кретинин О.В., Серый С.В., Шатагин Д.А. Наноструктурирование контактных поверх­ностей твердосплавного инструмента при резании. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2012;(4(97)):123‒132.Kabaldin Yu.G., Kretinin O.V., Seryi S.V., Shatagin D.A. Nanostructuring contact surface carbide tools in cutting. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2012;(4(97)):123‒132. (In Russ.).Дворник М.И., Михайленко Е.А. Исследование проч­ности твердого сплава ВК8 методом конечных элементов. Химическая физика и мезоскопия. 2009;11(4):433‒440.Dvornik M.I., Mikhailenko E.A. Research of WC-8%Co hard alloy strength by finite elements method. Chemical Physics and Mesoscopics. 2009;11(4):433‒440. (In Russ.).Brackmann L., Röttger A., Weber S., Theisen W. Subcritical crack growth in hard alloys under cyclic loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials and Structures. 2021;44(2):349‒365. https://doi.org/10.1111/ffe.13363Brackmann L., Röttger A., Weber S., Theisen W. Subcritical crack growth in hard alloys under cyclic loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials and Structures. 2021;44(2):349‒365. https://doi.org/10.1111/ffe.13363Lantsev E.A., Nokhrin A.V., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Blagoveshchenskiy Yu.V., Andreev P.V., Murashov A.A., Smetanina K.E., Isaeva N.V., Terentev A.V. Study of high-temperature deformation features of ceramics of binderless tungsten carbide with various particle sizes. Inorgamic Materials: Applied Research. 2022;13:1324–1332. https://doi.org/10.1134/S2075113322050240Lantsev E.A., Nokhrin A.V., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Blagoveshchenskiy Yu.V., Andreev P.V., Murashov A.A., Smetanina K.E., Isaeva N.V., Terentev A.V. Study of high-temperature deformation features of ceramics of binderless tungsten carbide with various particle sizes. Inorgamic Materials: Applied Research. 2022;13:1324–1332. https://doi.org/10.1134/S2075113322050240Монтик С.В. Влияние технологии механотермического формирования на износостойкость твердого сплава. Вестник Брестского государственного технического университета. 2000;(4):32‒35.Montik S.V. Influence of the mechanothermal formation technology of on wear resistance of a hard alloy. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2000;(4):32‒35. (In Russ.).Туманов В.И. Свойства сплавов системы карбид вольф­рама-кобальт. Москва: Металлургия; 1971:95.Tumanov V.I. Properties of Alloys of the Tungsten Carbide-Cobalt System. Moscow: Metallurgiya; 1971:95. (In Russ.).

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