Перехід до електрифікації в поєднанні з попитом на більшу енергоефективність означає, що автомобільна промисловість переживає період глибокої трансформації. Зокрема, зростаюче поширення електричних трансмісії вимагає, щоб шестерні відповідали зростаючим вимогам до потужності крутного моменту, довговічності та NVH (шум, вібрація та жорсткість), а також підтримували більш стійке та-рентабельне виробництво. Історично склалося так, що звичайні цементовані сталі, такі як 20MnCr5, виявилися успішними в застосуванні в зубчастих передачах. Однак вони зазвичай вимагають процесів після-обробки, включаючи дробеструйну обробку для досягнення необхідних показників втоми та шліфування кореня зуба для подальшого підвищення ефективності. Ці додаткові кроки додають складності та вартості. На цьому тлі Ovako дослідила застосування інноваційного дизайну сплаву для мінімізації міжкристалічного окислення та усунення потреби в до-обробці. Результатом цієї програми є 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), який пропонує потенційний шлях до більш ефективного, надійного та сталого виробництва шестерень. Чому газове науглерожування є проблемою Під час газового науглерожування сталі спостерігається низький парціальний тиск кисню. За цих умов легуючі елементи з сильною термодинамічною спорідненістю до кисню, такі як кремній, хром і марганець, схильні до селективного окислення, яке поширюється вздовж меж зерен. Це призводить до внутрішнього зростання оксидних фаз від поверхні до сталевої підкладки, що часто називають міжкристалічним окисленням (IGO) (Посилання . 1). Це призводить до локального виснаження легуючих елементів поблизу утворених оксидів, що призводить до зниження здатності до гартування в цих областях. Коли сталь загартується, це зниження прогартуваності збільшує ймовірність утворення немартенситних мікроструктур на уражених ділянках, див. рис. 1.

Крім того, знижена прогартовуваність поблизу поверхні означає, що трансформація поверхневого шару відбувається раніше, ніж у базовому випадку під час загартування. Оскільки глибші ділянки корпусу згодом трансформуються мартенситно, що супроводжується об’ємним розширенням, на поверхні вводяться залишкові напруги розтягування.

Загальний ефект оксиду та низько-міцної структури поверхні в поєднанні із залишковими напругами розтягування негативно впливає на характеристики втоми та підвищує сприйнятливість до утворення тріщин. Подолання обмежень звичайних цементованих сталей Програма розробки була зумовлена ​​необхідністю подолати обмеження звичайних цементованих сталей, як-от 20MnCr5, зокрема їх сприйнятливість до IGO та залежність від процесів до-обробки, таких як шліфування та дробеструйне упрочнення, для досягнення необхідних механічних властивостей. У результаті виходить 20NiMo9-7 (158Q), легований нікелем (Ni) і молібденом (Mo), елементами з низькою спорідненістю до кисню та сильним вкладом у зміцнюваність, водночас мінімізуючи присутність кремнію (Si), марганцю (Mn) і хрому (Cr)-див. Таблицю 1. Ця композиція пригнічує IGO та забезпечує повне утворення мартенситний поверхневий шар із високими залишковими напругами стиснення навіть за стандартних умов атмосферного науглерожування, див. рисунок 2. Крім того, ця сталь виробляється за допомогою виробничого процесу преміум-класу (IQ-Steel), який забезпечує низький рівень шкідливих неметалевих включень. Це гарантує, що чистота сталі не є обмежуючим фактором для втомних властивостей.

Результатом є сталь, яка забезпечує високу втомну міцність безпосередньо після науглерожування, зменшуючи або усуваючи потребу в до-обробці. Це робить 158Q особливо придатним для складних або невеликих геометрій зубчастих коліс, де шліфування або дробеструйне оброблення є непрактичними, пропонуючи спрощений, економічно{3}}ефективний і стабільний шлях виробництва. Втомні характеристики 158Q Втомні характеристики 158Q були оцінені в кількох дослідженнях з використанням різних установок тестування та довідкових матеріалів. Сплав має незмінно високу міцність на втому при вигині, особливо в -навуглецьованому стані, без потреби в -процесах додаткової обробки. У звіті VBC (Åslund та ін., 2010) випробування зубів шестерні на втому при вигині були проведені на 158Q, 157Q і 16MnCr5 з використанням випробувальних стендів з пульсатором (Посилання. 2). Результати показали, що 158Q досяг втомної міцності приблизно на 48 відсотків вище, ніж 16MnCr5, див. таблицю 2. Це пояснюється його повністю мартенситною поверхнею, мінімальним міжкристалічним окисленням (<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.

У звіті також наголошується, що 158Q досяг цієї продуктивності, використовуючи стандартне науглерожування атмосферним газом, не вимагаючи науглерожування під низьким{1}}тиском (LPC) або додаткової обробки поверхні. Це продемонструвало здатність сплаву забезпечувати якість поверхні, схожу на LPC-, використовуючи звичайне обладнання. Порівняння з 157Q, який також пройшов процес IQ, але зберіг більш високі рівні Mn, Cr і Si, підкреслило важливість складу сплаву для придушення окислення. Хоча 157Q продемонстрував деяке покращення порівняно з 16MnCr5, він не збігався з характеристиками 158Q, посилюючи роль стійкості до окислення у втомній поведінці (Посилання. 2). Теммел та ін. (2009, 2011) досліджували 158Q у порівнянні з 20MnCrS5, включно з ефектами одно- та подвійного ударного ущільнення (Посилання. 3, 4). У необробленому стані 158Q продемонстрував 23-відсоткове покращення втомної міцності, див. таблицю 3. Одиночне ущільнення забезпечило помірне додаткове збільшення, тоді як подвійне ущільнення не принесло додаткових переваг, а в деяких випадках навіть знизило продуктивність, ймовірно, через перевищення базових показників і його обмежену чутливість до обробок покращення поверхні.

У дослідженні 2011 року також досліджувалися профілі залишкового напруження, введені в результаті уточнення, і було виявлено, що подвійне уточнення зменшує напругу стиснення поверхні, ймовірно, через ослаблення напруги або пошкодження поверхні. Це свідчить про те, що стан поверхні 158Q після науглерожування не демонструє жодного значного окислення меж зерен або не-мартенситної структури. Тому додаткова обробка повинна бути ретельно налаштована, щоб уникнути погіршення властивостей. Ці висновки підтвердили ідею про те, що 158Q можна виготовити без додаткової -обробки (посилання. 4). Борг (2008) оцінив характеристики втоми 158Q і 16MnCr5, використовуючи випробування на обертовий згин на зразках із надрізами, як у-науглерожених, так і-дробне{15}}нагрітих умовах (Посилання. 5). 158Q показав найвищу межу втоми в навуглецьованому стані, досягнувши 985 МПа порівняно з 811 МПа для 16MnCr5, див. Таблицю 4. Випробування були розроблені для моделювання умов зубчастого колеса.

Результати випробувань показали, що 158Q може досягти високої стійкості до втоми без необхідності обробки поверхні. 16MnCr5 продемонстрував глибше внутрішнє окислення та присутність продуктів не-мартенситного перетворення поблизу поверхні, що негативно вплинуло на їх міцність до втоми. Вимірювання залишкової напруги показало напругу стиску на поверхні для 158Q, тоді як 16MnCr5 продемонстрував напругу розтягування. Фрактографічний аналіз показав, що тріщини в 158Q виникають на поверхні через шорсткість поверхні, тоді як у 16MnCr5 тріщини часто пов’язані з включеннями та деградацією поверхні. Дослідження підкреслило важливість стану поверхні та залишкового напруження для характеристик втоми, особливо в геометріях, де до-обробка обмежена або непрактична (Посилання. 5). У технічній документації AGMA (Aylott та ін., 2024) 158Q було випробувано за різних умов поверхні, цементованості, дробеструйної обробки, шліфування та в різних їх комбінаціях (Посилання . 6). Він стабільно перевершував 20MnCr5, навіть коли останній піддавався дуплексному дробеструйному обробленню або шліфуванню, див. Таблицю 5. Хоча після-обробка ще більше покращила продуктивність, переваги були відносно невеликими, що вказує на те, що -навуглецьовані властивості вже досягали рівня, зазвичай очікуваного після дробеструйного шліфування, див. Малюнок 3.

У дослідженні також зазначено, що стандартне відхилення втомної міцності зросло для варіанту 158Q, коли застосовувалися додаткові обробки, що свідчить про те, що ці процеси внесли мінливість, якої не було в -навуглецьованому стані. Ця послідовність у продуктивності особливо цінна у виробничих середовищах, де стабільність процесу має вирішальне значення. Документ AGMA містить повне порівняння різних станів поверхні, підкріплюючи міцність 158Q і його придатність для застосувань, де до-обробка непрактична або небажана (Посилання. 6). Основні переваги та можливі застосування 158Q Post{9}}Response Treatment Response Експериментальні результати незмінно показали, що 158Q демонструє високу втомну міцність у -цементованому стані, зменшуючи потребу в -процесах післяобробки, таких як дробеструйне ущільнення або шліфування. У той час як дробеструйне очищення може забезпечити помірні покращення, переваги часто обмежені, а в деяких випадках продуктивність знижується, особливо при подвійному дробеструйному очищення. Це може бути спричинено надмірним-ефектом розшарування, розслабленням напруги або спричиненим пошкодженням поверхні. Висока поверхнева твердість і чиста мартенситна структура сплаву обмежують ефективність обробок на основі пластичної деформації-. Крім того, підвищена шорсткість поверхні або мінливість, що виникає внаслідок подальшої-обробки, може нівелювати потенційні переваги. Дані випробувань AGMA (Ref. 5) також показують, що зразки після-обробки продемонстрували більший розкид у втомній міцності, що вказує на зниження узгодженості процесу. Ці результати підкреслюють, що стан поверхні 158Q уже близький до оптимального, і що до-обробку слід ретельно оцінити або потенційно виключити. Вирішення проблем, пов’язаних із важко{27}}-шліфуванням і малими зубчастими колесами Шліфування часто є бажаним процесом обробки зубчастих коліс, які вимагають точності розмірів, якості поверхні та правильної геометрії зубів шестерні. Однак це стає особливо складним, якщо мати справу зі складними формами та жорсткими допусками. Такі впливові фактори, як обмежений доступ до інструменту, ризик термічного пошкодження та потреба в спеціалізованому обладнанні часто ускладнюють процес. Гіпоїдні шестерні, внутрішні зубчасті колеса та малі-модульні шестерні часто мають обмежений доступ до інструменту, що робить повно{33}}профільне шліфування надзвичайно складним або взагалі неможливим. Повнопрофільне шліфування часто використовується, коли є потреба додатково підвищити продуктивність зубчастого колеса. Це складно для передач, згаданих вище. І в таких випадках матеріали повинні забезпечити кінцеву цілісність поверхні безпосередньо після термообробки. Це робить 158Q особливо добре-підходящим для типів передач, де традиційні методи обробки непридатні. Дробеструйне оброблення є широко використовуваним способом обробки поверхні для підвищення втомної міцності шляхом введення залишкових напруг стиску. Однак його ефективність значно знижується при застосуванні до невеликих передач із вузькими коренями зубів і складною геометрією. Ці функції важкодоступні за допомогою звичайного обладнання для пілінгу, що ускладнює досягнення рівномірного покриття в областях критичного навантаження. Щоб уникнути пошкодження делікатних поверхонь, слід використовувати менші дробинки, але вони несуть меншу кінетичну енергію та можуть не створювати достатньої напруги стиску, якщо їх не застосовувати з більшою швидкістю, що вносить додаткову складність і варіабельність процесу. Це обмеження особливо актуальне для сучасних автомобільних і електрифікованих систем трансмісії, де поширені компактні, високо-точні шестерні. Для таких застосувань такі матеріали, як 158Q, які забезпечують високі показники втоми без додаткової -обробки, пропонують більш надійне та економічно-вигідне рішення. Подолання розриву між науглерожуванням і LPC Цементація під низьким-тиском широко відома завдяки своїй здатності створювати чисті однорідні цементовані-загартовані поверхні з мінімальним окисленням. Працюючи в-вакуумно-контрольованому середовищі, LPC усуває міжкристалічне окислення, яке зазвичай пов’язане з традиційним газовим науглерожуванням, що забезпечує чудову якість поверхні та показники втоми. Однак впровадження LPC часто обмежується великими капіталовкладеннями, вимогами до спеціалізованого обладнання та потребою в розширеному досвіді управління процесами. Для багатьох компаній, особливо тих, що мають налагоджену інфраструктуру науглерожування газу, перехід на LPC може бути дорогим і руйнівним для роботи. У цьому контексті 158Q пропонує переконливу альтернативу, оскільки забезпечує чисту, -стійку до окислення поверхню навіть за стандартних атмосферних умов цементації без необхідності капітального ремонту існуючих ліній термічної обробки. Таким чином, 158Q забезпечує практичний,-вартісний шлях до покращеної продуктивності та екологічності передач для компаній, які прагнуть подолати розрив між звичайним науглерожуванням і LPC. Екологічність завдяки оптимізації процесу Етапи після-обробки, такі як дробеструйна обробка та подрібнення коренів, споживають енергію, утворюють відходи та збільшують викиди вуглекислого газу під час виробництва шестерень. На відміну від цього, 158Q досягає високої втомної міцності в -цементованому стані, усуваючи потребу в цих енерго-інтенсивних обробках. Окрім скорочення кроків обробки, 158Q забезпечує більш компактні та-матеріалоефективні конструкції компонентів. Його здатність витримувати більш високі навантаження дозволяє створювати менші конструкції, зменшуючи загальне споживання сталі для кожного компонента. У великих -об’ємах застосування навіть незначне зменшення розміру може призвести до значної сукупної економії сировини, енергії та викидів. Ці переваги узгоджуються з ширшими цілями сталого розвитку та підтримують більш екологічно відповідальне виробництво протягом усього життєвого циклу продукту. Економічність і спрощення виробництва Здатність 158Q досягати високої втомної міцності в -цементованому стані забезпечує значну економію коштів і ефективність виробництва. Скасувавши етапи до-обробки, виробники можуть зменшити витрати на робочу силу, використання обладнання та технічне обслуговування. Ця оптимізація скорочує виробничі цикли, знижує накладні витрати та збільшує продуктивність. Уникнення абразивних процесів також зменшує знос інструментів і витрати на витратні матеріали, водночас мінімізуючи вузькі місця процесу, особливо в середовищах із великим-обсягом роботи, де такі операції, як шліфування кореня, можуть-вимагати багато часу. Спрощений робочий процес покращує гнучкість планування та зменшує--незавершені запаси, дозволяючи виробникам досягати цільових показників продуктивності з меншими витратами та з меншою кількістю етапів обробки. Висновок Новий сплав 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) — це цементована сталь, розроблена для мінімізації міжкристалічного окислення та усунення потреби в -процесах обробки, таких як дробеструйне упрочнення та шліфування. Завдяки аналізу багатьох експериментальних досліджень 158Q незмінно демонструє кращі показники витривалості порівняно зі звичайними сталями, як-от 20MnCr5 і 16MnCr5, навіть у-навуглецьованому стані. Основні висновки включають: на 48 відсотків вища міцність на втому, ніж 16MnCr5 у-навуглецьованому стані. Порівнянні або кращі характеристики, ніж дробеструйний або шліфований 20MnCr5 без цих додаткових етапів. 158Q пропонує значний потенціал для оптимізації виробництва шестерень за рахунок зменшення складності, вартості та впливу на навколишнє середовище. Його ізотропні властивості та висока цілісність поверхні роблять його особливо придатним для складних або невеликих геометрій зубчастих коліс, де традиційні методи фінішної обробки є непрактичними. Зрештою, 158Q пропонує переконливий шлях до більш ефективного, надійного та сталого виробництва передач в автомобільній промисловості та за її межами.