Przejście na elektryfikację w połączeniu z zapotrzebowaniem na większą efektywność energetyczną oznacza, że ​​przemysł motoryzacyjny przechodzi okres głębokiej transformacji. W szczególności rosnące wykorzystanie elektrycznych układów napędowych wymaga, aby przekładnie spełniały rosnące wymagania dotyczące momentu obrotowego, trwałości i NVH (hałasu, wibracji i twardości), a jednocześnie wspierały bardziej zrównoważoną i-ekonomiczną produkcję. Historycznie rzecz biorąc, konwencjonalne stale do nawęglania, takie jak 20MnCr5, okazały się skuteczne w zastosowaniach w przekładniach. Jednakże zazwyczaj wymagają one-procesów obróbki końcowej, w tym śrutowania w celu uzyskania wymaganej odporności zmęczeniowej i szlifowania korzeni zębów w celu dalszego wzmocnienia. Te dodatkowe kroki zwiększają złożoność i koszt. W tym kontekście firma Ovako zbadała zastosowanie innowacyjnej konstrukcji stopowej w celu zminimalizowania utleniania międzykrystalicznego i wyeliminowania konieczności-obróbki końcowej. Rezultatem tego programu jest 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), który oferuje potencjalną ścieżkę do bardziej wydajnej, niezawodnej i zrównoważonej produkcji przekładni. Dlaczego nawęglanie gazowe stanowi problem Podczas nawęglania gazowego stali występuje niskie ciśnienie cząstkowe tlenu. W tych warunkach pierwiastki stopowe o silnym powinowactwie termodynamicznym do tlenu, takie jak krzem, chrom i mangan, ulegają selektywnemu utlenianiu, które rozprzestrzenia się wzdłuż granic ziaren. Powoduje to wzrost faz tlenkowych do wewnątrz od powierzchni do podłoża stalowego, co często określa się mianem utleniania międzykrystalicznego (IGO) (Ref.. 1). Prowadzi to do miejscowego zubożenia pierwiastków stopowych w pobliżu utworzonych tlenków, co skutkuje zmniejszeniem hartowności w tych obszarach. Kiedy stal jest hartowana, to zmniejszenie hartowności zwiększa prawdopodobieństwo utworzenia mikrostruktur niemartenzytycznych w dotkniętych obszarach, patrz rysunek 1.

Ponadto zmniejszona hartowność w pobliżu powierzchni oznacza, że ​​przemiana warstwy powierzchniowej następuje wcześniej niż w podstawowym przypadku podczas hartowania. W miarę jak głębsze obszary obudowy ulegają następnie przemianie martenzytycznej, czemu towarzyszy rozszerzanie objętościowe, na powierzchnię wprowadzane są szczątkowe naprężenia rozciągające.

Efektem netto tlenku i struktury powierzchni-o niskiej wytrzymałości, w połączeniu z naprężeniami resztkowymi rozciągającymi, jest niekorzystny wpływ na właściwości zmęczeniowe i zwiększenie podatności na inicjację pęknięć. Pokonywanie ograniczeń konwencjonalnych stali do nawęglania Program rozwoju był motywowany potrzebą przezwyciężenia ograniczeń konwencjonalnych stali do nawęglania, takich jak 20MnCr5, w szczególności ich podatności na IGO i polegania na-procesach obróbki końcowej, takich jak szlifowanie i śrutowanie, w celu osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych. Rezultatem jest 20NiMo9-7 (158Q) stopowy z niklem (Ni) i molibdenem (Mo), pierwiastkami o niskim powinowactwie do tlenu i dużym udziale hartowności, przy jednoczesnej minimalizacji obecności krzemu (Si), manganu (Mn) i chromu (Cr)-patrz tabela 1. Skład ten tłumi IGO i umożliwia utworzenie w pełni martenzytycznej warstwy powierzchniowej o wysokiej pozostałości po ściskaniu naprężenia, nawet w standardowych warunkach nawęglania atmosferycznego, patrz rysunek 2. Ponadto stal ta jest wytwarzana w zaawansowanym procesie produkcyjnym (IQ-Steel), który zapewnia niski poziom szkodliwych wtrąceń niemetalicznych. Dzięki temu czystość stali nie jest czynnikiem ograniczającym właściwości zmęczeniowe.

Rezultatem jest stal, która zapewnia wysoką wytrzymałość zmęczeniową bezpośrednio po nawęglaniu, co ogranicza lub eliminuje potrzebę-obróbki końcowej. To sprawia, że ​​158Q szczególnie nadaje się do stosowania w przypadku skomplikowanych lub małych geometrii kół zębatych, gdzie szlifowanie lub śrutowanie jest niepraktyczne, oferując usprawnioną,-ekonomiczną i zrównoważoną metodę produkcji. Wydajność zmęczeniowa 158Q Wydajność zmęczeniowa 158Q została oceniona w kilku badaniach przy użyciu różnych konfiguracji testowych i materiałów odniesienia. Stop ma niezmiennie wysoką wytrzymałość zmęczeniową na zginanie, szczególnie w stanie-nawęglanym, bez konieczności-procesów dodatkowej obróbki. W raporcie VBC (Åslund i in., 2010) przeprowadzono badania zmęczeniowe zębów przekładni przy zginaniu 158Q, 157Q i 16MnCr5 przy użyciu stanowisk testowych pulsatorów (Ref. 2). Wyniki wykazały, że 158Q osiągnął wytrzymałość zmęczeniową o około 48 procent wyższą niż 16MnCr5, patrz tabela 2. Przypisano to jego całkowicie martenzytycznej powierzchni i minimalnemu utlenianiu międzykrystalicznemu (<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.

W raporcie podkreślono ponadto, że 158Q osiągnął tę wydajność przy zastosowaniu standardowego nawęglania w atmosferze atmosferycznej, bez konieczności-nawęglania niskociśnieniowego (LPC) lub dodatkowej obróbki powierzchni. Pokazało to zdolność stopu do zapewniania jakości powierzchni-podobnej do LPC przy użyciu konwencjonalnego sprzętu. Porównanie ze 157Q, który również przeszedł proces IQ, ale zachował wyższe poziomy Mn, Cr i Si, podkreśliło znaczenie składu stopu w hamowaniu utleniania. Chociaż 157Q wykazał pewną poprawę w porównaniu z 16MnCr5, nie dorównywał wydajnością 158Q, co wzmacnia rolę odporności na utlenianie w zachowaniu zmęczeniowym (Ref. 2). Temmel i in. (2009, 2011) zbadali 158Q w porównaniu z 20MnCrS5, uwzględniając wpływ pojedynczego i podwójnego śrutowania (Refs. 3, 4). W stanie nieutwardzonym stal 158Q wykazała 23-procentową poprawę wytrzymałości zmęczeniowej, patrz Tabela 3. Pojedyncze śrutowanie zapewniło niewielki dodatkowy wzrost, podczas gdy podwójne śrutowanie nie przyniosło dalszych korzyści, a w niektórych przypadkach nawet obniżyło wydajność, prawdopodobnie z powodu przekroczenia wydajności bazowej i ograniczonej wrażliwości na obróbkę ulepszającą powierzchnię.

W badaniu z 2011 r. zbadano także profile naprężeń szczątkowych wprowadzonych przez śrutowanie i stwierdzono, że podwójne śrutowanie zmniejsza naprężenia ściskające powierzchni, prawdopodobnie w wyniku relaksacji naprężeń lub uszkodzenia powierzchni. Sugerowało to, że stan powierzchni 158Q po nawęglaniu nie wykazywał żadnego znaczącego utleniania granic ziaren ani struktury nie-martenzytycznej. Dlatego należy dokładnie dostosować dodatkowe zabiegi, aby uniknąć pogorszenia właściwości. Odkrycia te potwierdziły pogląd, że 158Q można wyprodukować bez dodatkowego-przetwarzania końcowego (Ref. 4). Borg (2008) ocenił wytrzymałość zmęczeniową stali 158Q i 16MnCr5 za pomocą testów zginania obrotowego na próbkach z karbem, zarówno w stanie-nawęglania, jak i-kuwania (Ref. 5). 158Q wykazał najwyższą granicę zmęczenia w stanie-nawęglania, osiągając 985 MPa w porównaniu z 811 MPa dla 16MnCr5, patrz tabela 4. Badania miały na celu symulację warunków stopy przekładni.

Wyniki testów wykazały, że 158Q może osiągnąć wysoką odporność zmęczeniową bez konieczności obróbki powierzchniowej.. 16MnCr5 wykazał głębsze utlenianie wewnętrzne i obecność nie-martenzytycznych produktów przemiany w pobliżu powierzchni, co negatywnie wpłynęło na ich wytrzymałość zmęczeniową. Pomiary naprężeń szczątkowych wykazały naprężenia ściskające na powierzchni dla 158Q, natomiast 16MnCr5 wykazywał naprężenia rozciągające. Analiza fraktograficzna wykazała, że ​​pęknięcia w 158Q inicjowane są na powierzchni na skutek chropowatości powierzchni, natomiast w 16MnCr5 pęknięcia były często związane z wtrąceniami i degradacją powierzchni. Badanie podkreśliło znaczenie stanu powierzchni i stanu naprężenia szczątkowego dla wydajności zmęczeniowej, szczególnie w przypadku geometrii, w przypadku których-obróbka końcowa jest ograniczona lub niepraktyczna (Ref. 5). W artykule technicznym AGMA (Aylott i in., 2024) 158Q testowano w różnych warunkach powierzchniowych, nawęglaniu, śrutowaniu, szlifowaniu i w różnych ich kombinacjach (Ref. 6). Stale osiągał lepsze wyniki niż 20MnCr5, nawet gdy ten ostatni był poddawany śrutowaniu lub szlifowaniu dupleksowemu, patrz tabela 5. Chociaż dalsze-obróbki poprawiały wydajność, zyski były stosunkowo niewielkie, co wskazuje, że właściwości-nawęglania osiągnęły już poziom zwykle oczekiwany po śrutowaniu, patrz rysunek 3.

W badaniu zauważono również, że odchylenie standardowe wytrzymałości zmęczeniowej wzrosło w przypadku wariantu 158Q po zastosowaniu dodatkowej obróbki, co sugeruje, że procesy te wprowadziły zmienność, która nie występowała w stanie po-nawęglaniu. Ta spójność wydajności jest szczególnie cenna w środowiskach produkcyjnych, gdzie stabilność procesu ma kluczowe znaczenie. Artykuł AGMA zapewnia kompleksowe porównanie różnych warunków powierzchniowych, potwierdzając wytrzymałość 158Q i jego przydatność do zastosowań, w których-obróbka wtórna jest niepraktyczna lub niepożądana (Ref. 6). Kluczowe zalety i możliwe zastosowania 158Q po-reakcji po obróbce Wyniki eksperymentów konsekwentnie wykazały, że 158Q wykazuje wysoką wytrzymałość zmęczeniową w stanie-nawęglonym, co ogranicza potrzebę stosowania procesów-po obróbce, takich jak śrutowanie lub szlifowanie. Chociaż śrutowanie może zapewnić niewielką poprawę, korzyści są często ograniczone, a w niektórych przypadkach wydajność jest zmniejszona, szczególnie w przypadku śrutowania podwójnego. Może to wynikać z-efektu nadmiernego śrutowania, relaksacji naprężeń lub wywołanych uszkodzeń powierzchni. Wysoka twardość powierzchniowa stopu i czysta struktura martenzytyczna ograniczają skuteczność obróbki opartej na odkształceniu plastycznym-. Ponadto zwiększona chropowatość lub zmienność powierzchni w wyniku-obróbki końcowej może zrównoważyć potencjalne korzyści. Dane z testów AGMA (Ref. 5) wskazują również, że próbki poddane-obróbce końcowej wykazywały większy rozrzut wytrzymałości zmęczeniowej, co sugeruje zmniejszoną spójność procesu. Odkrycia te podkreślają, że stan powierzchni 158Q jest już prawie optymalny i że-należy dokładnie ocenić obróbkę następczą lub potencjalnie ją wyeliminować. Sprostanie wyzwaniom związanym ze szlifowaniem-{28}}twardych i małych kół zębatych Szlifowanie jest często pożądanym procesem wykańczania kół zębatych, który wymaga dokładności wymiarowej, jakości powierzchni i prawidłowej geometrii zębów przekładni. Staje się to jednak szczególnie trudne w przypadku skomplikowanych kształtów i wąskich tolerancji. Czynniki wpływające, takie jak ograniczony dostęp do narzędzi, ryzyko uszkodzeń termicznych i potrzeba stosowania specjalistycznych maszyn, często komplikują proces. Przekładnie hipoidalne, przekładnie wewnętrzne i przekładnie o małych-modułach często mają ograniczony dostęp do narzędzi, co sprawia, że ​​szlifowanie-pełnego profilu jest niezwykle trudne lub całkowicie niewykonalne. Szlifowanie pełnoprofilowe jest często stosowane, gdy istnieje potrzeba dalszej poprawy wydajności przekładni. Jest to trudne na wyżej wymienionych biegach. W takich przypadkach materiały muszą zapewniać ostateczną integralność powierzchni bezpośrednio po obróbce cieplnej. To sprawia, że ​​158Q szczególnie dobrze-nadaje się do typów przekładni, w których tradycyjne metody wykańczania nie są opłacalne. Śrutowanie jest szeroko stosowaną obróbką powierzchni mającą na celu zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej poprzez wprowadzenie ściskających naprężeń szczątkowych. Jednakże jego skuteczność znacznie spada w przypadku zastosowania do małych przekładni z wąskimi korzeniami zębów i skomplikowaną geometrią. Funkcje te są trudno dostępne w przypadku konwencjonalnego sprzętu do śrutowania, co utrudnia osiągnięcie równomiernego pokrycia w obszarach krytycznych naprężeń. Aby uniknąć uszkodzenia delikatnych powierzchni, należy zastosować mniejsze cząstki śrutu, ale niosą one mniejszą energię kinetyczną i mogą nie wywierać wystarczającego naprężenia ściskającego, chyba że zostaną zastosowane z większymi prędkościami, co wprowadza dalszą złożoność i zmienność w procesie. To ograniczenie jest szczególnie istotne w nowoczesnych samochodowych i zelektryfikowanych układach napędowych, gdzie powszechne są kompaktowe,-precyzyjne przekładnie. W przypadku takich zastosowań materiały takie jak 158Q, które zapewniają wysoką odporność zmęczeniową bez konieczności-obróbki końcowej, stanowią solidniejsze i-ekonomiczne rozwiązanie. Wypełnianie luki pomiędzy nawęglaniem a LPC Nawęglanie niskociśnieniowe-jest powszechnie uznawane za zdolność do wytwarzania czystych, jednolitych powierzchni-utwardzonych powierzchniowo przy minimalnym utlenieniu. Działając w środowisku-kontrolowanym próżniowo, LPC eliminuje utlenianie międzykrystaliczne typowo związane z tradycyjnym nawęglaniem gazowym, co skutkuje doskonałą jakością powierzchni i odpornością zmęczeniową. Jednakże zastosowanie LPC jest często ograniczone wysokimi inwestycjami kapitałowymi, wymaganiami dotyczącymi specjalistycznego sprzętu i potrzebą zaawansowanej wiedzy specjalistycznej w zakresie kontroli procesów. Dla wielu firm, zwłaszcza tych z ugruntowaną infrastrukturą nawęglania gazowego, przejście na LPC może być kosztowne i zakłócać funkcjonowanie. W tym kontekście 158Q stanowi atrakcyjną alternatywę, ponieważ pozwala uzyskać czystą,-utleniającą powierzchnię nawet w standardowych warunkach nawęglania atmosferycznego, bez konieczności remontu istniejących linii obróbki cieplnej. Dlatego 158Q zapewnia praktyczną i tańszą-ścieżkę poprawy wydajności przekładni i zrównoważonego rozwoju dla firm pragnących wypełnić lukę pomiędzy konwencjonalnym nawęglaniem a LPC. Zrównoważony rozwój poprzez optymalizację procesu-Etapy obróbki końcowej, takie jak śrutowanie i szlifowanie korzeni, zużywają energię, generują odpady i zwiększają ślad węglowy produkcji kół zębatych. Natomiast 158Q osiąga wysoką wytrzymałość zmęczeniową w stanie-nawęglonym, eliminując potrzebę-energochłonnych obróbek. Poza redukcją etapów przetwarzania, 158Q umożliwia bardziej zwarte i-materiałowo wydajne konstrukcje komponentów. Jego zdolność do wytrzymywania większych obciążeń pozwala na tworzenie mniejszych projektów, zmniejszając całkowite zużycie stali na każdy element. W zastosowaniach-na dużą skalę nawet niewielkie zmniejszenie rozmiaru może prowadzić do znacznych skumulowanych oszczędności w zakresie surowców, energii i emisji. Korzyści te są zgodne z szerszymi celami zrównoważonego rozwoju i wspierają bardziej odpowiedzialną dla środowiska produkcję w całym cyklu życia produktu. Opłacalność i uproszczenie produkcji Zdolność 158Q do osiągnięcia wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej w stanie nawęglonym umożliwia znaczne oszczędności kosztów i wydajność produkcji. Eliminując etapy{{79}po obróbce, producenci mogą zmniejszyć koszty pracy, zużycia sprzętu i konserwacji. To usprawnienie skraca cykle produkcyjne, obniża koszty ogólne i zwiększa przepustowość. Unikanie procesów ściernych zmniejsza także zużycie narzędzi i koszty materiałów eksploatacyjnych, minimalizując jednocześnie wąskie gardła w procesach, szczególnie w środowiskach o dużej objętości, gdzie operacje takie jak szlifowanie grani mogą-być czasochłonne. Uproszczony przepływ pracy zwiększa elastyczność planowania i zmniejsza-zapasy-pracy w toku, umożliwiając producentom osiągnięcie docelowych wyników przy niższych kosztach i mniejszej liczbie etapów przetwarzania. Wniosek Nowy stop 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) to stal do nawęglania zaprojektowana tak, aby minimalizować utlenianie międzykrystaliczne i eliminować potrzebę-procesów obróbki końcowej, takich jak śrutowanie i szlifowanie. Przegląd wielu badań eksperymentalnych wykazał, że stal 158Q konsekwentnie wykazuje lepszą odporność zmęczeniową w porównaniu z konwencjonalnymi stalami, takimi jak 20MnCr5 i 16MnCr5, nawet w stanie{103}nawęglanym. Najważniejsze ustalenia obejmują: Do 48% wyższa wytrzymałość zmęczeniowa w porównaniu z 16MnCr5 w stanie{104}nawęglonym. Porównywalna lub lepsza wydajność w porównaniu do śrutowanego lub szlifowanego 20MnCr5 bez tych dodatkowych etapów. 158Q oferuje znaczny potencjał usprawnienia produkcji kół zębatych poprzez zmniejszenie złożoności, kosztów i wpływu na środowisko. Jego właściwości izotropowe i wysoka integralność powierzchni sprawiają, że szczególnie nadaje się do skomplikowanych lub małych geometrii kół zębatych, gdzie tradycyjne metody wykańczania są niepraktyczne. Ostatecznie 158Q oferuje fascynującą ścieżkę w kierunku bardziej wydajnej, niezawodnej i zrównoważonej produkcji przekładni w przemyśle motoryzacyjnym i nie tylko.