Posun smerom k elektrifikácii v kombinácii s požiadavkou na vyššiu energetickú účinnosť znamená, že automobilový priemysel prechádza obdobím hlbokej transformácie. Najmä rastúci záujem o elektrické hnacie ústrojenstvo si vyžaduje, aby prevody spĺňali rastúce požiadavky na kapacitu krútiaceho momentu, trvanlivosť a NVH (hluk, vibrácie a drsnosť) a zároveň podporovali udržateľnejšiu a nákladovo efektívnejšiu{1}}výrobu. Historicky sa konvenčné nauhličovacie ocele ako 20MnCr5 osvedčili v prevodových aplikáciách. Zvyčajne si však vyžadujú procesy po-ošetrení vrátane brúsenia brokovnicou na dosiahnutie požadovaného únavového výkonu a brúsenia koreňov zubov na ďalšie posilnenie. Tieto dodatočné kroky zvyšujú zložitosť a náklady. Na základe týchto skutočností spoločnosť Ovako skúmala aplikáciu inovatívneho legovacieho dizajnu na minimalizáciu medzikryštalickej oxidácie a elimináciu potreby dodatočnej-úpravy. Výsledkom tohto programu je 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), ktorý ponúka potenciálnu cestu k efektívnejšej, spoľahlivejšej a udržateľnejšej výrobe ozubených kolies. Prečo je nauhličovanie plynom problém Počas nauhličovania ocele plynom je nízky parciálny tlak kyslíka. Za týchto podmienok majú legujúce prvky so silnou termodynamickou afinitou ku kyslíku, ako je kremík, chróm a mangán, tendenciu podliehať selektívnej oxidácii, ktorá sa šíri pozdĺž hraníc zŕn. To má za následok prenikanie oxidových fáz z povrchu do oceľového substrátu, často označované ako intergranulárna oxidácia (IGO) (odkaz. 1). To vedie k lokalizovanému úbytku legujúcich prvkov v blízkosti vytvorených oxidov s výsledným znížením prekaliteľnosti v týchto oblastiach. Keď je oceľ kalená, toto zníženie prekaliteľnosti zvyšuje pravdepodobnosť tvorby nemartenzitických mikroštruktúr v postihnutých oblastiach, pozri obrázok 1.

Okrem toho znížená kaliteľnosť v blízkosti povrchu znamená, že premena povrchovej vrstvy nastáva skôr ako v základnom prípade počas kalenia. Keď sa hlbšie oblasti puzdra následne martenziticky transformujú, sprevádzané objemovou expanziou, na povrch sa zavádzajú zvyškové ťahové napätia.

Čistým účinkom oxidu a povrchovej štruktúry s nízkou{0}}pevnosťou v kombinácii so zvyškovým napätím v ťahu je nepriaznivé ovplyvnenie únavového výkonu a zvýšenie náchylnosti na iniciáciu trhlín. Prekonanie obmedzení konvenčných nauhličovacích ocelí Vývojový program bol poháňaný potrebou prekonať obmedzenia konvenčných karburizačných ocelí, ako je 20MnCr5, najmä ich náchylnosť na IGO a spoliehanie sa na procesy po-úpravy, ako je brúsenie a brokovanie, aby sa dosiahli požadované mechanické vlastnosti. Výsledkom je 20NiMo9-7 (158Q), legovaný niklom (Ni) a molybdénom (Mo), prvky s nízkou afinitou ku kyslíku a silným príspevkom kaliteľnosti, pričom sa minimalizuje prítomnosť kremíka (Si), mangánu (Mn) a chrómu (Cr)-pozri tabuľku 1, ktorá úplne potláča tvorbu martenzitickej vrstvy s vysokým zložením IGO. zvyškové napätia v tlaku, dokonca aj pri štandardných atmosférických podmienkach nauhličovania, pozri obrázok 2. Okrem toho sa táto oceľ vyrába prémiovým výrobným procesom (IQ-oceľ), ktorý zaisťuje nízke úrovne škodlivých nekovových inklúzií. To zaisťuje, že čistota ocele nie je limitujúcim faktorom pre únavové vlastnosti.

Výsledkom je oceľ, ktorá poskytuje vysokú únavovú pevnosť priamo po nauhličení, čím sa znižuje alebo eliminuje potreba dodatočného spracovania. Vďaka tomu je 158Q obzvlášť vhodný pre zložité alebo malé geometrie ozubených kolies, kde je brúsenie alebo brúsenie brokovnicou nepraktické, a ponúka efektívny, nákladovo{3}}efektívny a udržateľný spôsob výroby. Únavový výkon 158Q Únavový výkon 158Q bol hodnotený v niekoľkých štúdiách s použitím rôznych testovacích nastavení a referenčných materiálov. Zliatina má trvalo vysokú pevnosť v ohybe, najmä v -nauhličovanom stave, bez potreby dodatočných-procesov úpravy. V správe VBC (Åslund et al., 2010) sa testy únavy zubov ozubeného kolesa v ohybe vykonali na 158Q, 157Q a 16MnCr5 s použitím pulzačných testovacích zariadení (odkaz. 2). Výsledky ukázali, že 158Q dosiahol únavovú pevnosť približne o 48 percent vyššiu ako 16MnCr5, pozri tabuľku 2. To sa pripisuje jeho plne martenzitickému povrchu, minimálnej medzikryštalickej oxidácii (<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.

Správa ďalej zdôraznila, že 158Q dosiahol tento výkon pomocou štandardného nauhličovania atmosférickým plynom bez potreby nízkotlakového nauhličovania (LPC) alebo dodatočných povrchových úprav. To demonštrovalo schopnosť zliatiny poskytovať kvalitu povrchu podobnú LPC-pri použití konvenčných zariadení. Porovnanie s 157Q, ktorý tiež prešiel procesom IQ, ale zachoval si vyššie hladiny Mn, Cr a Si, zdôraznilo dôležitosť zloženia zliatiny pri potláčaní oxidácie. Zatiaľ čo 157Q vykazoval určité zlepšenie v porovnaní s 16MnCr5, nezodpovedal výkonu 158Q, čím sa posilnila úloha odolnosti voči oxidácii pri únavovom správaní (odkaz. 2). Temmel a kol. (2009, 2011) skúmali 158Q v porovnaní s 20MnCrS5, vrátane účinkov jednorazového a dvojitého peeningu (odkaz{19}}, 4). V neočistenom stave vykazoval 158Q 23-percentné zlepšenie únavovej pevnosti, pozri tabuľku 3. Jednoduché zvlnenie poskytlo mierny dodatočný nárast, zatiaľ čo dvojité zvlnenie neprinieslo ďalšie výhody a v niektorých prípadoch dokonca znížilo výkon, pravdepodobne v dôsledku prekročenia základného výkonu a jeho obmedzenej citlivosti na povrchové úpravy.

Štúdia z roku 2011 tiež skúmala profily zvyškového napätia zavedené peeningom a zistila, že dvojité peening znižuje povrchové tlakové napätie, pravdepodobne v dôsledku relaxácie napätia alebo poškodenia povrchu. To naznačovalo, že stav povrchu 158Q po nauhličení nevykazoval žiadnu významnú oxidáciu na hranici zŕn ani ne-martenzitickú štruktúru. Preto je potrebné ďalšie úpravy starostlivo vyladiť, aby nedošlo k zhoršeniu vlastností. Tieto zistenia podporili myšlienku, že 158Q by bolo možné vyrobiť bez dodatočného dodatočného spracovania- (odkaz. 4). Borg (2008) vyhodnotil únavovú výkonnosť 158Q a 16MnCr5 pomocou rotačných ohybových testov na vzorkách s vrúbkovaním, a to v podmienkach -nauhličovania aj brokovane{15}} (odkaz. 5). 158Q vykazovalo najvyšší limit únavy v nauhličenom stave v porovnaní s{185} MPa v porovnaní s{185} 811 MPa pre 16MnCr5, pozri tabuľku 4. Testy boli navrhnuté tak, aby simulovali podmienky koreňa ozubeného kolesa.

Výsledky testu ukázali, že 158Q môže dosiahnuť vysokú odolnosť proti únave bez potreby povrchových úprav. 16MnCr5 vykazoval hlbšiu vnútornú oxidáciu a prítomnosť produktov ne-martenzitickej transformácie v blízkosti povrchu, čo negatívne ovplyvnilo ich únavovú pevnosť. Merania zvyškového napätia ukázali tlakové napätia na povrchu pre 158Q, zatiaľ čo 16MnCr5 vykazovalo ťahové napätia. Fraktografická analýza odhalila, že trhliny v 158Q iniciovali na povrchu v dôsledku drsnosti povrchu, zatiaľ čo v 16MnCr5 boli trhliny často spojené s inklúziami a degradáciou povrchu. Štúdia zdôraznila dôležitosť stavu povrchu a stavu zvyškového napätia pri únave, najmä v geometriách, kde je následné spracovanie-obmedzené alebo nepraktické (odkaz. 5). V technickom dokumente AGMA (Aylott et al., 2024) bol 158Q testovaný za rôznych povrchových podmienok, nauhličený, brokovaný, brúsený a v ich rôznych kombináciách (odkaz. 6). Konzistentne prekonával 20MnCr5, aj keď bol podrobený duplexnému brúseniu alebo brúseniu, pozri tabuľku 5. Zatiaľ čo po-úprave sa výkon ďalej zlepšoval, zisky boli relatívne malé, čo naznačuje, že{25}}nauhličované vlastnosti už dosiahli úroveň bežne očakávanú po brúsení brokovnicou, pozri obrázok 3.

Štúdia tiež poznamenala, že štandardná odchýlka únavovej pevnosti sa pre variant 158Q zvýšila, keď sa aplikovali ďalšie úpravy, čo naznačuje, že tieto procesy zaviedli variabilitu, ktorá nebola prítomná v stave -nauhličovania. Táto konzistentnosť výkonu je obzvlášť cenná vo výrobných prostrediach, kde je stabilita procesu kritická. Dokument AGMA poskytuje komplexné porovnanie naprieč rôznymi povrchovými podmienkami, čím posilňuje robustnosť 158Q a jeho vhodnosť pre aplikácie, kde je dodatočná-úprava nepraktická alebo nežiaduca (odkaz. 6). Kľúčové výhody a možné aplikácie odozvy 158Q po-úprave Experimentálne výsledky neustále ukazujú, že 158Q vykazuje vysokú únavovú pevnosť v-nauhličovanom stave, čím sa znižuje potreba procesov po{12}}úprave, ako je brokovanie alebo brúsenie. Zatiaľ čo shot peening môže poskytnúť mierne zlepšenia, zisky sú často obmedzené a v niektorých prípadoch je výkon znížený, najmä pri dvojitom shot peening. Môže to byť spôsobené nadmerným{15}efektom napnutia, uvoľnením stresu alebo vyvolaným poškodením povrchu. Vysoká tvrdosť povrchu zliatiny a čistá martenzitická štruktúra obmedzujú účinnosť úprav založených na plastickej{17}}deformácii. Okrem toho zvýšená drsnosť povrchu alebo variabilita spôsobená následným{19}spracovaním môže kompenzovať potenciálne výhody. Údaje z testovania AGMA (odkaz. 5) tiež naznačujú, že vzorky po úprave- vykazovali vyšší rozptyl v únavovej pevnosti, čo naznačuje zníženú konzistenciu procesu. Tieto zistenia podčiarkujú, že povrchový stav 158Q je už takmer optimálny a že po-úprave by sa malo starostlivo vyhodnotiť alebo prípadne odstrániť. Riešenie výziev tvrdého-brúsenia{28}}a malých ozubených kolies Brúsenie ozubených kolies je často požadovaným dokončovacím procesom ozubených kolies, ktoré vyžadujú rozmerovú presnosť, kvalitu povrchu a správnu geometriu zubov ozubených kolies. To sa však stáva obzvlášť náročným pri riešení zložitých tvarov a úzkych tolerancií. Ovplyvňujúce faktory, ako je obmedzený prístup k nástroju, riziko tepelného poškodenia a potreba špecializovaných strojov, často komplikujú proces. Hypoidné ozubené kolesá, vnútorné ozubené kolesá a malé{32}}modulové ozubené kolesá často predstavujú obmedzený prístup k nástroju, v dôsledku čoho je brúsenie s úplným{33}}profilom buď extrémne náročné, alebo úplne neuskutočniteľné. Celoprofilové brúsenie sa často používa, keď je potrebné ďalej zvýšiť výkon ozubeného kolesa. To je náročné na vyššie spomenuté prevody. A v takýchto prípadoch musia materiály dodať finálnu povrchovú celistvosť priamo po tepelnom spracovaní. Vďaka tomu je 158Q obzvlášť-vhodný pre typy ozubených kolies, kde tradičné metódy dokončovania nie sú realizovateľné. Brokovanie je široko používaná povrchová úprava na zvýšenie únavovej pevnosti zavedením zvyškových napätí v tlaku. Jeho účinnosť však výrazne klesá, keď sa aplikuje na malé ozubené kolesá s úzkymi koreňmi zubov a zložitými geometriami. Tieto vlastnosti sú ťažko dostupné s konvenčným orezávacím zariadením, čo sťažuje dosiahnutie rovnomerného pokrytia v kritických stresových oblastiach. Aby sa predišlo poškodeniu jemných povrchov, musia sa použiť menšie častice brokov, ktoré však nesú menšiu kinetickú energiu a nemusia prenášať dostatočné tlakové napätie, pokiaľ sa nepoužijú pri vyšších rýchlostiach, čo predstavuje ďalšiu zložitosť a variabilitu procesu. Toto obmedzenie je obzvlášť dôležité v moderných automobilových a elektrifikovaných systémoch hnacieho ústrojenstva, kde sú bežné kompaktné,{45}}vysoko presné prevody. Pre takéto aplikácie ponúkajú materiály ako 158Q, ktoré poskytujú vysoký únavový výkon bez toho, aby sa spoliehali na dodatočnú{48}}úpravu, robustnejšie a nákladovo{49}}efektívnejšie riešenie. Preklenutie priepasti medzi nauhličovaním a nízkotlakovým nauhličovaním LPC{51}}je všeobecne uznávané pre svoju schopnosť vytvárať čisté, rovnomerné{52}}tvrdené povrchy s minimálnou oxidáciou. LPC, ktorý pracuje vo vákuovo{54}}riadenom prostredí, eliminuje medzikryštalickú oxidáciu, ktorá je typicky spojená s tradičným nauhličovaním plynom, čo vedie k vynikajúcej kvalite povrchu a únave. Prijatie LPC je však často obmedzené vysokými kapitálovými investíciami, požiadavkami na špecializované vybavenie a potrebou pokročilých odborných znalostí v oblasti riadenia procesov. Pre mnohé spoločnosti, najmä tie, ktoré majú zavedenú infraštruktúru na nauhličovanie plynu, môže byť prechod na LPC nákladný a prevádzkovo rušivý. V tomto kontexte ponúka 158Q presvedčivú alternatívu, pretože dosahuje čistý povrch odolný voči oxidácii-aj za štandardných atmosférických podmienok nauhličovania bez potreby generálnej opravy existujúcich liniek tepelného spracovania. Preto 158Q poskytuje praktickú, nižšiu{62}}cestu k zlepšeniu výkonu prevodovky a udržateľnosti pre spoločnosti, ktoré sa snažia preklenúť priepasť medzi konvenčným nauhličovaním a LPC. Udržateľnosť prostredníctvom optimalizácie procesov Kroky po{64}}úprave, ako je brokovanie a brúsenie koreňov, spotrebúvajú energiu, vytvárajú odpad a zvyšujú uhlíkovú stopu pri výrobe ozubených kolies. Na rozdiel od toho, 158Q dosahuje vysokú únavovú pevnosť v-nauhličovanom stave, čím eliminuje potrebu týchto energeticky{68}}intenzívnych úprav. Jeho schopnosť odolávať vyššiemu zaťaženiu umožňuje menšie konštrukcie, čím sa znižuje celková spotreba ocele pre každý komponent. Vo veľkých-aplikáciách môže aj mierne zmenšenie veľkosti viesť k významným kumulatívnym úsporám surovín, energie a emisií. Tieto výhody sú v súlade so širšími cieľmi udržateľnosti a podporujú ekologickejšiu výrobu počas celého životného cyklu produktu. Efektívnosť nákladov a zjednodušenie výroby Schopnosť 158Q dosiahnuť vysokú únavovú pevnosť v nauhličenom stave umožňuje výrazné úspory nákladov a efektivitu výroby. Odstránením krokov po{79}}úprave môžu výrobcovia znížiť nároky na prácu, používanie zariadení a údržbu. Toto zefektívnenie skracuje výrobné cykly, znižuje režijné náklady a zvyšuje priepustnosť. Vyhýbanie sa abrazívnym procesom tiež znižuje opotrebenie nástrojov a náklady na spotrebný materiál a zároveň minimalizuje prekážky procesu, najmä v-veľkoobjemových prostrediach, kde môžu byť operácie ako brúsenie koreňov-časovo náročné. Zjednodušený pracovný postup zlepšuje flexibilitu plánovania a znižuje rozpracovaný-in{86}}inventár, čo umožňuje výrobcom splniť výkonnostné ciele pri nižších nákladoch a s menším počtom krokov spracovania. Záver Nová zliatina 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) je nauhličovacia oceľ navrhnutá tak, aby minimalizovala medzikryštalickú oxidáciu a eliminovala potrebu dodatočných{98}}procesov úpravy, ako je brokovanie a brúsenie. Prostredníctvom preskúmania viacerých experimentálnych štúdií 158Q trvalo preukazuje vynikajúcu únavovú výkonnosť v porovnaní s konvenčnými oceľami, ako sú 20MnCr5 a 16MnCr5, dokonca aj v nauhličenom stave. Kľúčové zistenia zahŕňajú: Až o 48 percent vyššia únavová pevnosť ako 16MnCr5 v nauhličenom stave Porovnateľný alebo lepší výkon ako brokovaný alebo brúsený 20MnCr5 bez týchto dodatočných krokov 158Q ponúka významný potenciál na zefektívnenie výroby ozubených kolies znížením zložitosti, nákladov a dopadu na životné prostredie. Jeho izotropné vlastnosti a vysoká integrita povrchu ho robia obzvlášť vhodným pre zložité alebo malé geometrie ozubených kolies, kde sú tradičné metódy dokončovania nepraktické. V konečnom dôsledku ponúka 158Q presvedčivú cestu k efektívnejšej, spoľahlivejšej a udržateľnejšej výrobe ozubených kolies v automobilovom priemysle aj mimo neho.