Trecerea către electrificare, combinată cu cererea de eficiență energetică mai mare, înseamnă că industria de automobile trece printr-o perioadă de transformare profundă. În special, adoptarea din ce în ce mai mare a transmisiilor electrice necesită ca angrenajele să îndeplinească cerințe tot mai mari pentru capacitatea de cuplu, durabilitate și NVH (zgomot, vibrații și duritate), susținând în același timp o producție mai durabilă și mai -eficientă din punct de vedere al costurilor. Din punct de vedere istoric, oțelurile de cementare convenționale, cum ar fi 20MnCr5, s-au dovedit de succes în aplicațiile cu angrenaje. Cu toate acestea, acestea necesită, de obicei, procese post-tratament, inclusiv peening pentru a obține performanța necesară la oboseală și șlefuirea rădăcinii dentare pentru un impuls suplimentar. Acești pași suplimentari adaugă complexitate și cost. În acest context, Ovako a investigat aplicarea unui design inovator de aliere pentru a minimiza oxidarea intergranulară și pentru a elimina necesitatea tratamentului post-. Rezultatul acestui program este 20NiMo9-7 (Ovako 158Q) care oferă o cale potențială către o producție de echipamente mai eficientă, mai fiabilă și mai durabilă. De ce este o problemă carburarea cu gaz În timpul carburării cu gaz a oțelului, există o presiune parțială scăzută a oxigenului. În aceste condiții, elementele de aliere cu o puternică afinitate termodinamică pentru oxigen, cum ar fi siliciul, cromul și manganul, tind să sufere o oxidare selectivă care se propagă de-a lungul granițelor granulelor. Acest lucru are ca rezultat creșterea în interior a fazelor de oxid de la suprafață în substratul de oțel, adesea denumită oxidare intergranulară (IGO) (Ref. 1). Acest lucru duce la epuizarea localizată a elementelor de aliere în vecinătatea oxizilor formați, cu o reducere rezultată a întăririi în aceste regiuni. Când oțelul este stins, această reducere a călibilității crește probabilitatea formării de microstructuri nemartensitice în zonele afectate, vezi Figura 1.

Mai mult, călibilitatea redusă lângă suprafață înseamnă că transformarea stratului de suprafață are loc mai devreme decât în ​​cazul de bază în timpul călirii. Pe măsură ce regiunile mai profunde ale carcasei se transformă ulterior martensitic, însoțită de dilatare volumetrică, la suprafață se introduc tensiuni reziduale de tracțiune.

Efectul net al oxidului și al structurii-de suprafață cu rezistență scăzută, în combinație cu tensiunile reziduale de tracțiune, este de a afecta negativ performanța la oboseală și de a crește susceptibilitatea la inițierea fisurilor. Depășirea limitărilor oțelurilor de carburare convenționale Programul de dezvoltare a fost condus de necesitatea de a depăși limitările oțelurilor de carburare convenționale, cum ar fi 20MnCr5, în special susceptibilitatea lor la IGO și dependența de procesele de post-tratare, cum ar fi șlefuirea și granulația pentru a-și atinge proprietățile mecanice necesare. Rezultatul este 20NiMo9-7 (158Q), aliat cu nichel (Ni) și molibden (Mo), elemente cu afinitate scăzută pentru oxigen și contribuții puternice de întărire, minimizând în același timp prezența siliciului (Si), manganului (Mn) și crom (Cr)-vezi Tabelul 1. Această compoziție suprimă complet formarea marsitică a suprafeței. cu tensiuni reziduale de compresiune ridicate, chiar și în condiții standard de cementare atmosferică, vezi Figura 2. În plus, acest oțel este produs printr-un proces de producție premium (IQ-Oțel), care asigură niveluri scăzute de incluziuni nemetalice dăunătoare. Acest lucru asigură că curățenia oțelului nu este factorul limitativ pentru proprietățile la oboseală.

Rezultatul este un oțel care oferă o rezistență ridicată la oboseală direct după cementare, reducând sau eliminând nevoia de post{0}}procesare. Acest lucru face ca 158Q să fie deosebit de potrivit pentru geometriile angrenajelor complexe sau mici, în care șlefuirea sau șlefuirea nu sunt practic, oferind o cale de producție simplificată,-eficientă și durabilă. Performanța la oboseală a lui 158Q Performanța la oboseală a lui 158Q a fost evaluată în mai multe studii folosind diferite configurații de testare și materiale de referință. Aliajul are o rezistență ridicată la oboseală la încovoiere, în special în starea de-carburat, fără a fi nevoie de procese de post-tratare. În raportul VBC (Åslund și colab., 2010), testele de oboseală la îndoirea dinților angrenajului au fost efectuate pe 158Q, 157Q și 16MnCr5 folosind platforme de testare cu pulsatori (Ref. 2). Rezultatele au arătat că 158Q a atins o rezistență la oboseală cu aproximativ 48% mai mare decât 16MnCr5, vezi Tabelul 2. Acest lucru a fost atribuit suprafeței sale complet martensitice, oxidării intergranulare minime (<2 μm), and absence of non-martensitic transformation products. In contrast, 16MnCr5 exhibited deeper oxidation (10–15 μm) and a soft surface layer. The study also noted that 158Q developed high compressive residual stresses and low retained austenite, both favorable for fatigue resistance.

Raportul a mai subliniat că 158Q a atins această performanță utilizând cementarea standard cu gaz atmosferic, fără a necesita cementare la presiune joasă-(LPC) sau tratamente suplimentare de suprafață. Acest lucru a demonstrat capacitatea aliajului de a furniza o calitate a suprafeței-ca LPC folosind echipamente convenționale. Comparația cu 157Q, care a suferit și procesul IQ, dar a păstrat niveluri mai mari de Mn, Cr și Si, a evidențiat importanța compoziției aliajului în suprimarea oxidării. În timp ce 157Q a arătat o oarecare îmbunătățire față de 16MnCr5, nu s-a potrivit cu performanța lui 158Q, întărind rolul rezistenței la oxidare în comportamentul la oboseală (Ref. 2). Temmel şi colab. (2009, 2011) au examinat 158Q în comparație cu 20MnCrS5, inclusiv efectele peeningului simplu și dublu (Ref.. 3, 4). În condiția nepeenizată, 158Q a arătat o îmbunătățire cu 23% a rezistenței la oboseală, vezi Tabelul 3. Peeningul unic a oferit o creștere suplimentară modestă, în timp ce dublu peening nu a adus beneficii suplimentare și, în unele cazuri, chiar a redus performanța, probabil datorită depășirii performanței de bază și sensibilității sale limitate la tratamentele de îmbunătățire a suprafeței.

Studiul din 2011 a explorat, de asemenea, profilurile de tensiuni reziduale introduse de peening și a constatat că dublu peening a redus stresul de compresiune a suprafeței, probabil din cauza relaxării tensiunii sau a deteriorării suprafeței. Acest lucru a sugerat că starea suprafeței lui 158Q după cementare nu a prezentat nicio oxidare semnificativă la granițele sau structură non--martensitică. Prin urmare, tratamentele suplimentare trebuie reglate cu atenție pentru a evita deteriorarea proprietăților. Aceste constatări au susținut ideea că 158Q ar putea fi fabricat fără post-procesare suplimentară (Ref. 4). Borg (2008) a evaluat performanța la oboseală a 158Q și 16MnCr5 utilizând teste de încovoiere rotativă pe specimene crestate, atât în condiții de-carburat, cât și de împușcat-peened (Ref{. 5){. 158Q a arătat cea mai înaltă limită de oboseală în starea MP}95{18} comparată la 811 MPa pentru 16MnCr5, vezi Tabelul 4. Testele au fost concepute pentru a simula condițiile rădăcinii angrenajului.

Rezultatele testului au demonstrat că 158Q ar putea atinge o rezistență ridicată la oboseală fără a fi nevoie de tratamente de suprafață. 16MnCr5 a arătat o oxidare internă mai profundă și prezența produselor de transformare ne-martensitice în apropierea suprafeței, ceea ce le-a afectat negativ rezistența la oboseală. Măsurătorile tensiunilor reziduale au arătat tensiuni de compresiune la suprafață pentru 158Q, în timp ce 16MnCr5 a prezentat tensiuni de tracțiune. Analiza fractografică a arătat că fisurile din 158Q au inițiat la suprafață din cauza rugozității suprafeței, în timp ce în 16MnCr5, fisurile au fost adesea asociate cu incluziuni și degradarea suprafeței. Studiul a evidențiat importanța stării suprafeței și a stării de tensiune reziduală în performanța la oboseală, în special în geometriile în care post-procesarea este limitată sau nepractică (Ref. 5). În lucrarea tehnică AGMA (Aylott et al., 2024), 158Q a fost testat în diferite condiții de suprafață, carburat, șlefuit, șlefuit și în diferite combinații ale acestora (Ref. 6). A depășit constant 20MnCr5, chiar și atunci când acesta din urmă a fost supus la șlefuire sau șlefuire duplex, vezi Tabelul 5. În timp ce post{24}}tratamentele au îmbunătățit și mai mult performanța, câștigurile au fost relativ mici, ceea ce indică faptul că proprietățile ca-carburate atingeau deja un nivel normal așteptat după șlefuire, vezi Figura 3.

Studiul a remarcat, de asemenea, că abaterea standard a rezistenței la oboseală a crescut pentru varianta 158Q atunci când au fost aplicate tratamente suplimentare, sugerând că aceste procese au introdus o variabilitate care nu a fost prezentă în starea ca-carburată. Această consecvență în performanță este deosebit de valoroasă în mediile de producție în care stabilitatea procesului este critică. Lucrarea AGMA oferă o comparație cuprinzătoare în mai multe condiții de suprafață, consolidând robustețea lui 158Q și adecvarea sa pentru aplicații în care post-tratamentul este nepractic sau nedorit (Ref. 6). Beneficiile cheie și posibilele aplicații ale răspunsului la post-tratament 158Q Rezultatele experimentale au arătat în mod constant că 158Q prezintă o rezistență ridicată la oboseală în stare de-carburat, reducând nevoia proceselor de post-tratare, cum ar fi șlefuirea sau șlefuirea. În timp ce peening-ul poate oferi îmbunătățiri modeste, câștigurile sunt adesea limitate și, în unele cazuri, performanța este redusă, în special în cazul peening-ului dublu. Acest lucru s-ar putea datora efectelor de supra-peening, relaxării stresului sau deteriorărilor induse ale suprafeței. Duritatea mare a suprafeței a aliajului și structura martensitică curată limitează eficacitatea tratamentelor bazate pe deformarea plastică-. În plus, rugozitatea sau variabilitatea crescută a suprafeței introduse de post-procesare poate compensa beneficiile potențiale. Datele din testarea AGMA (Ref. 5) indică, de asemenea, că probele post-tratate au arătat o dispersie mai mare a rezistenței la oboseală, sugerând o consistență redusă a procesului. Aceste constatări subliniază că starea suprafeței 158Q este deja aproape optimă și că post{25}}tratamentul ar trebui evaluat cu atenție sau potențial eliminat. Abordarea provocărilor legate de--slefuirea greu de șlefuit și de roți dințate mici Șlefuirea este adesea procesul de finisare dorit pentru roți dințate care necesită precizie dimensională, calitate a suprafeței și geometrie corectă a dinților angrenajului. Cu toate acestea, devine deosebit de dificil atunci când aveți de-a face cu forme complexe și toleranțe strânse. Factorii care influențează, cum ar fi accesul limitat la scule, riscul de deteriorare termică și nevoia de utilaje specializate complică adesea procesul. Roțile dințate hipoide, angrenajele interne și angrenajele cu module mici- prezintă adesea acces limitat la scule, ceea ce face ca șlefuirea cu profil complet-fie extrem de dificilă sau complet imposibilă. Slefuirea cu profil complet este adesea folosită atunci când este nevoie de îmbunătățirea în continuare a performanței angrenajului. Acest lucru este o provocare pentru angrenajele menționate mai sus. Și în astfel de cazuri, materialele trebuie să ofere integritatea finală a suprafeței direct după tratamentul termic. Acest lucru face ca 158Q să fie deosebit de potrivit-pentru tipurile de angrenaje în care metodele tradiționale de finisare nu sunt viabile. Shot peening este un tratament de suprafață utilizat pe scară largă pentru a spori rezistența la oboseală prin introducerea unor tensiuni reziduale la compresiune. Cu toate acestea, eficacitatea sa scade semnificativ atunci când este aplicată la roți dințate mici cu rădăcini înguste ale dintelui și geometrii complexe. Aceste caracteristici sunt dificil de accesat cu echipamentele convenționale de peening, ceea ce face dificilă obținerea unei acoperiri uniforme în regiunile critice de stres. Pentru a evita deteriorarea suprafețelor delicate, trebuie utilizate particule mai mici, dar ele transportă mai puțină energie cinetică și pot să nu transmită suficientă tensiune de compresiune decât dacă sunt aplicate la viteze mai mari, introducând o complexitate și variabilitate suplimentară în proces. Această limitare este deosebit de relevantă în sistemele moderne de automobile și de transmisie electrificată, unde angrenajele compacte, de{45}}înaltă precizie sunt comune. Pentru astfel de aplicații, materiale precum 158Q, care oferă performanțe ridicate la oboseală fără a se baza pe post{48}}tratament, oferă o soluție mai robustă și mai rentabilă-. Reducerea decalajului dintre carburare și LPC Cementarea la presiune joasă-este recunoscută pe scară largă pentru capacitatea sa de a produce suprafețe curate, uniforme-întărite cu carcasă, cu o oxidare minimă. Funcționând într-un mediu-controlat cu vid, LPC elimină oxidarea intergranulară asociată în mod obișnuit cu cementarea tradițională cu gaz, rezultând o calitate superioară a suprafeței și o performanță la oboseală. Cu toate acestea, adoptarea LPC este adesea limitată de investiții mari de capital, cerințe de echipamente specializate și nevoia de expertiză avansată în controlul procesului. Pentru multe companii, în special pentru cele cu infrastructură de carburare a gazului stabilită, tranziția la LPC poate fi costisitoare și perturbatoare din punct de vedere operațional. În acest context, 158Q oferă o alternativă convingătoare, deoarece obține o suprafață curată, rezistentă la oxidare-chiar și în condiții standard de cementare atmosferică, fără a fi nevoie de revizuirea liniilor de tratament termic existente. Prin urmare, 158Q oferă o cale practică, cu costuri mai mici-performanțe îmbunătățite și durabilitate a angrenajului pentru companiile care doresc să reducă decalajul dintre cementarea convențională și LPC. Sustenabilitate prin optimizarea proceselor Etapele post-tratării, cum ar fi șlefuirea și șlefuirea rădăcinilor, consumă energie, generează deșeuri și măresc amprenta de carbon a producției de unelte. În schimb, 158Q atinge o rezistență ridicată la oboseală în stare-carburată, eliminând necesitatea acestor tratamente-intensive de energie. Dincolo de reducerea etapelor de procesare, 158Q permite proiecte de componente mai compacte și mai eficiente-materialelor. Capacitatea sa de a rezista la sarcini mai mari permite modele mai mici, reducând consumul total de oțel pentru fiecare componentă. În aplicațiile cu volum mare-, chiar și reducerile modeste ale dimensiunii pot duce la economii cumulate semnificative de materie primă, energie și emisii. Aceste beneficii se aliniază cu obiectivele mai largi de sustenabilitate și susțin o producție mai responsabilă față de mediu pe parcursul ciclului de viață al produsului. Eficiență a costurilor și simplificare a producției Capacitatea lui 158Q de a obține o rezistență ridicată la oboseală în stare de-carburat permite economii semnificative de costuri și eficiență a producției. Prin eliminarea etapelor de post-tratare, producătorii pot reduce forța de muncă, utilizarea echipamentelor și cerințele de întreținere. Această simplificare scurtează ciclurile de producție, reduce cheltuielile generale și crește randamentul. Evitarea proceselor abrazive reduce, de asemenea, uzura sculelor și costurile consumabilelor, minimizând în același timp blocajele procesului, în special în mediile cu volum mare-în care operațiuni precum șlefuirea rădăcinilor pot necesita timp-. Fluxul de lucru simplificat îmbunătățește flexibilitatea de planificare și reduce inventarul-în-producție, permițând producătorilor să atingă obiectivele de performanță la costuri mai mici și cu mai puțini pași de procesare. Concluzie Un nou aliaj 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) este un oțel de cementare conceput pentru a minimiza oxidarea intergranulară și pentru a elimina necesitatea proceselor de post-tratare, cum ar fi șlefuirea și șlefuirea. Printr-o revizuire a mai multor studii experimentale, 158Q a demonstrat în mod constant performanțe superioare la oboseală în comparație cu oțelurile convenționale, cum ar fi 20MnCr5 și 16MnCr5, chiar și în stare{103}}cementată. Constatările cheie includ: rezistență la oboseală cu până la 48% mai mare decât 16MnCr5 în stare{104}}carburată Performanță comparabilă sau superioară cu 20MnCr5 șlefuit sau măcinat fără acești pași suplimentari, 158Q oferă un potențial semnificativ de eficientizare a producției de angrenaje prin reducerea complexității, costurilor și impactului asupra mediului. Proprietățile sale izotrope și integritatea ridicată a suprafeței îl fac deosebit de potrivit pentru geometriile angrenajelor complexe sau mici, unde metodele tradiționale de finisare nu sunt practice. În cele din urmă, 158Q oferă o cale convingătoare către producția de unelte mai eficientă, fiabilă și durabilă în industria auto și nu numai.