Переход к электрификации в сочетании с требованием повышения энергоэффективности означает, что автомобильная промышленность переживает период глубокой трансформации. В частности, растущее распространение электрических трансмиссий требует, чтобы шестерни отвечали растущим требованиям к крутящему моменту, долговечности и NVH (шуму, вибрации и жесткости), а также поддерживали более экологичное и экономичное-производство. Исторически сложилось так, что традиционные науглероженные стали, такие как 20MnCr5, оказались успешными в зубчатых передачах. Однако они обычно требуют после-процессов обработки, включая дробеструйную обработку для достижения требуемых усталостных характеристик и шлифовку корней зубов для дальнейшего улучшения. Эти дополнительные шаги усложняют и увеличивают стоимость. На этом фоне компания Ovako исследовала возможность применения инновационной конструкции легирования для минимизации межкристаллитного окисления и устранения необходимости последующей-обработки. Результатом этой программы стал сплав 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), который открывает потенциальный путь к более эффективному, надежному и устойчивому производству шестерен. Почему газовая цементация является проблемой Во время газовой цементации стали наблюдается низкое парциальное давление кислорода. В этих условиях легирующие элементы с сильным термодинамическим сродством к кислороду, такие как кремний, хром и марганец, склонны подвергаться селективному окислению, распространяющемуся вдоль границ зерен. Это приводит к росту оксидных фаз с поверхности внутрь стальной подложки, что часто называют межкристаллитным окислением (IGO) (ссылка . 1). Это приводит к локализованному обеднению легирующих элементов вблизи образующихся оксидов, что приводит к снижению прокаливаемости в этих областях. При закалке стали такое снижение прокаливаемости увеличивает вероятность образования немартенситных микроструктур в пораженных участках, см. рисунок 1.

Кроме того, пониженная прокаливаемость вблизи поверхности означает, что при закалке трансформация поверхностного слоя происходит раньше, чем в подлежащем случае. Поскольку более глубокие области корпуса впоследствии подвергаются мартенситному преобразованию, сопровождаемому объемным расширением, на поверхности возникают растягивающие остаточные напряжения.

Итоговый эффект оксида и низкой-структуры поверхности в сочетании с растягивающими остаточными напряжениями заключается в отрицательном влиянии на усталостные характеристики и повышении склонности к образованию трещин. Преодоление ограничений традиционных науглероженных сталей Программа разработки была обусловлена ​​необходимостью преодолеть ограничения традиционных науглероженных сталей, таких как 20MnCr5, в частности их восприимчивость к IGO и зависимость от процессов последующей-обработки, таких как шлифование и дробеструйная обработка, для достижения требуемых механических свойств. В результате получается 20NiMo9-7 (158Q), легированный никелем (Ni) и молибденом (Mo), элементами с низким сродством к кислороду и сильным вкладом в прокаливаемость, при этом минимизируя присутствие кремния (Si), марганца (Mn) и хрома (Cr)-, см. таблицу 1. Этот состав подавляет IGO и позволяет формировать полностью мартенситный поверхностный слой с высоким остаточным сжатием. напряжения даже при стандартных атмосферных условиях цементации, см. рисунок 2. Кроме того, эта сталь производится по премиальному производственному процессу (IQ-Steel), который обеспечивает низкий уровень вредных неметаллических включений. Это гарантирует, что чистота стали не является ограничивающим фактором усталостных свойств.

В результате получается сталь, которая обеспечивает высокую усталостную прочность непосредственно после цементации, что снижает или исключает необходимость последующей-обработки. Это делает сталь 158Q особенно подходящей для зубчатых колес сложной или небольшой геометрии, где шлифовка или дробеструйная обработка нецелесообразны, предлагая оптимизированный, экономичный-эффективный и устойчивый производственный маршрут. Усталостные характеристики 158Q. Усталостные характеристики 158Q оценивались в нескольких исследованиях с использованием различных испытательных установок и эталонных материалов. Сплав имеет стабильно высокую усталостную прочность на изгиб, особенно в-науглероженном состоянии, без необходимости процессов последующей-обработки. В отчете VBC (Åslund et al., 2010) испытания на усталость зубьев шестерни при изгибе проводились на 158Q, 157Q и 16MnCr5 с использованием испытательных стендов с пульсаторами (ссылка . 2). Результаты показали, что 158Q достиг усталостной прочности примерно на 48 процентов выше, чем 16MnCr5, см. таблицу 2. Это было связано с его полностью мартенситной поверхностью и минимальным межзеренным окислением (<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.

В отчете также подчеркивается, что 158Q достиг таких характеристик при использовании стандартной цементации в атмосферном газе без необходимости цементации при низком-давлении (LPC) или дополнительной обработки поверхности. Это продемонстрировало способность сплава обеспечивать качество поверхности, подобное LPC-, при использовании обычного оборудования. Сравнение с 157Q, который также прошел процесс IQ, но сохранил более высокие уровни Mn, Cr и Si, подчеркнуло важность состава сплава для подавления окисления. Хотя 157Q показал некоторое улучшение по сравнению с 16MnCr5, он не соответствовал характеристикам 158Q, что усиливает роль стойкости к окислению в усталостном поведении (ссылка . 2). Теммель и др. (2009, 2011) исследовали 158Q в сравнении с 20MnCrS5, включая эффекты однократной и двойной дробеструйной обработки (ссылки. 3, 4). В необработанном состоянии 158Q продемонстрировал улучшение усталостной прочности на 23 процента, см. Таблицу 3. Одинарная упрочнение обеспечило умеренное дополнительное увеличение, в то время как двойное упрочнение не дало дополнительных преимуществ, а в некоторых случаях даже снизило производительность, вероятно, из-за превышения базовых характеристик и его ограниченной чувствительности к обработкам для улучшения поверхности.

В исследовании 2011 года также были изучены профили остаточных напряжений, возникающие в результате наклепа, и было обнаружено, что двойная наклейка снижает поверхностное сжимающее напряжение, вероятно, из-за релаксации напряжений или повреждения поверхности. Это позволило предположить, что состояние поверхности 158Q после цементации не демонстрирует какого-либо значительного окисления границ зерен или не-мартенситной структуры. Поэтому дополнительные обработки необходимо тщательно настраивать, чтобы избежать ухудшения свойств. Эти результаты подтвердили идею о том, что 158Q можно производить без дополнительной пост-обработки (ссылка. 4). Борг (2008) оценил усталостные характеристики 158Q и 16MnCr5 с помощью испытаний на изгиб при вращении образцов с надрезом, как в -науглероженном, так и в -упрочненном состоянии (ссылка. 5).. 158Q показал самый высокий предел выносливости в только что-науглероженном состоянии, достигнув 985 МПа по сравнению с 811 МПа для 16MnCr5, см. Таблицу 4. Испытания были разработаны для моделирования состояния корня шестерни.

Результаты испытаний показали, что 158Q может достичь высокой усталостной прочности без необходимости обработки поверхности.. 16MnCr5 показал более глубокое внутреннее окисление и наличие продуктов не-мартенситного превращения вблизи поверхности, что отрицательно повлияло на их усталостную прочность. Измерения остаточных напряжений показали сжимающие напряжения на поверхности 158Q, тогда как 16MnCr5 демонстрировали растягивающие напряжения. Фрактографический анализ показал, что трещины в 158Q возникают на поверхности из-за шероховатости поверхности, тогда как в 16MnCr5 трещины часто связаны с включениями и деградацией поверхности. Исследование подчеркнуло важность состояния поверхности и состояния остаточных напряжений для усталостных характеристик, особенно в геометриях, где пост-обработка ограничена или нецелесообразна (Ссылка. 5). В техническом документе AGMA (Aylott et al., 2024) 158Q тестировался при различных состояниях поверхности: науглероживании, дробеструйной обработке, шлифовании и в различных их комбинациях (Ссылка . 6). Он неизменно превосходил 20MnCr5, даже когда последний подвергался дуплексной дробеструйной обработке или шлифовке, см. Таблицу 5. Хотя пост-обработки еще больше улучшали характеристики, прирост был относительно небольшим, что указывает на то, что свойства as-науглероживания уже достигали уровня, обычно ожидаемого после дробеструйной обработки, см. Рисунок 3.

Исследование также отметило, что стандартное отклонение усталостной прочности увеличилось для варианта 158Q при применении дополнительных обработок, что позволяет предположить, что эти процессы внесли изменчивость, которой не было в as-науглероженном состоянии. Такая стабильность производительности особенно ценна в производственных средах, где стабильность процесса имеет решающее значение. В документе AGMA представлено всестороннее сравнение различных условий поверхности, что подтверждает надежность 158Q и его пригодность для применений, где последующая-обработка непрактична или нежелательна (ссылка. 6). Основные преимущества и возможные применения 158Q Реакция после-обработки Экспериментальные результаты постоянно показывают, что 158Q демонстрирует высокую усталостную прочность в-науглероженном состоянии, что снижает необходимость в процессах после-обработки, таких как дробеструйная обработка или шлифование. Хотя дробеструйная обработка может обеспечить скромные улучшения, результаты часто ограничены, а в некоторых случаях производительность снижается, особенно при двойной дробеструйной обработке. Это может быть связано с эффектом пере-упрочнения, релаксацией напряжений или вызванными поверхностными повреждениями. Высокая поверхностная твердость сплава и чистая мартенситная структура ограничивают эффективность обработок на основе пластической деформации. Кроме того, повышенная шероховатость поверхности или изменчивость, вызванные пост-обработкой, могут свести на нет потенциальные преимущества. Данные испытаний AGMA (ссылка. 5) также показывают, что образцы после-обработки показали более высокий разброс усталостной прочности, что предполагает снижение стабильности процесса. Эти результаты подчеркивают, что состояние поверхности 158Q уже близко к оптимальному и что обработку после-следует тщательно оценить или потенциально исключить. Решение проблем, связанных с трудным-шлифованием-маленьких зубчатых колес Шлифование часто является желаемым процессом чистовой обработки зубчатых колес, требующих точности размеров, качества поверхности и правильной геометрии зубьев шестерен. Однако это становится особенно сложной задачей при работе со сложными формами и жесткими допусками. Факторы влияния, такие как ограниченный доступ к инструментам, риск термического повреждения и необходимость в специализированном оборудовании, часто усложняют процесс. Гипоидные шестерни, внутренние шестерни и небольшие-модульные шестерни часто ограничивают доступ к инструменту, что делает шлифование полного-профиля либо чрезвычайно трудным, либо совершенно невозможным. Полнопрофильное шлифование часто применяется, когда возникает необходимость дальнейшего повышения производительности зубчатой ​​передачи. Это сложно для упомянутых выше передач. И в таких случаях материалы должны обеспечивать окончательную целостность поверхности сразу после термообработки. Благодаря этому сталь 158Q особенно хорошо-подходит для таких типов зубчатых передач, где традиционные методы отделки непригодны. Дробеструйная обработка — это широко используемый метод обработки поверхности для повышения усталостной прочности за счет создания остаточных сжимающих напряжений. Однако его эффективность значительно снижается при применении к небольшим шестерням с узкими корнями зубьев и сложной геометрией. Эти функции труднодоступны с помощью обычного оборудования для упрочнения, что затрудняет достижение равномерного покрытия в критических зонах нагрузки. Чтобы избежать повреждения деликатных поверхностей, необходимо использовать более мелкие частицы дроби, но они несут меньшую кинетическую энергию и могут не создавать достаточного сжимающего напряжения, если не применяются на более высоких скоростях, что приводит к еще большей сложности и изменчивости процесса. Это ограничение особенно актуально в современных автомобильных и электрифицированных трансмиссиях, где распространены компактные-прецизионные передачи. Для таких применений такие материалы, как 158Q, которые обеспечивают высокие усталостные характеристики без необходимости последующей-обработки, предлагают более надежное и экономически-эффективное решение. Преодоление разрыва между цементацией и LPC Цементация при низком-давлении широко известна благодаря своей способности создавать чистые, однородные цементированные-поверхности с минимальным окислением. Работая в среде с контролируемым вакуумом-, LPC устраняет межкристаллитное окисление, обычно связанное с традиционной газовой цементацией, что приводит к превосходному качеству поверхности и усталостным характеристикам. Однако внедрение LPC часто ограничивается высокими капитальными вложениями, требованиями к специализированному оборудованию и необходимостью передового опыта управления процессами. Для многих компаний, особенно с развитой инфраструктурой газовой цементации, переход на LPC может оказаться дорогостоящим и разрушительным для операционной деятельности. В этом контексте 158Q предлагает привлекательную альтернативу, поскольку он обеспечивает чистую, -стойкую к окислению поверхность даже в стандартных условиях атмосферной цементации без необходимости капитального ремонта существующих линий термообработки. Таким образом, 158Q обеспечивает практичный и менее затратный путь к повышению производительности и устойчивости зубчатых передач для компаний, стремящихся сократить разрыв между традиционной цементацией и LPC. Устойчивое развитие за счет оптимизации процесса. Этапы после-обработки, такие как дробеструйная обработка и шлифовка корней, потребляют энергию, создают отходы и увеличивают выбросы углекислого газа при производстве зубчатых колес. Напротив, 158Q достигает высокой усталостной прочности в -науглероженном состоянии, что устраняет необходимость в энергоемкой-обработке. Помимо сокращения этапов обработки, 158Q позволяет создавать более компактные и-эффективные с точки зрения материала конструкции компонентов. Его способность выдерживать более высокие нагрузки позволяет создавать конструкции меньшего размера, снижая общий расход стали для каждого компонента. При больших-объемных применениях даже незначительное уменьшение размеров может привести к значительной совокупной экономии сырья, энергии и выбросов. Эти преимущества соответствуют более широким целям устойчивого развития и поддерживают более экологически ответственное производство на протяжении всего жизненного цикла продукта. Экономическая эффективность и упрощение производства Способность 158Q достигать высокой усталостной прочности в -науглероженном состоянии обеспечивает значительную экономию средств и эффективность производства. Исключив этапы последующей-обработки, производители могут сократить трудозатраты, использование оборудования и требования к техническому обслуживанию. Такая оптимизация сокращает производственные циклы, снижает накладные расходы и увеличивает производительность. Отказ от абразивных процессов также снижает износ инструментов и затраты на расходные материалы, а также сводит к минимуму узкие места в процессе, особенно в условиях больших-объемов, где такие операции, как шлифовка корней, могут занимать-много времени. Упрощенный рабочий процесс повышает гибкость планирования и сокращает количество незавершенных работ,-что позволяет производителям достигать целевых показателей производительности с меньшими затратами и меньшим количеством этапов обработки. Заключение Новый сплав 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) представляет собой цементируемую сталь, предназначенную для минимизации межкристаллитного окисления и устранения необходимости в процессах последующей-обработки, таких как дробеструйная обработка и шлифование. Благодаря обзору многочисленных экспериментальных исследований, 158Q неизменно демонстрирует превосходные усталостные характеристики по сравнению с обычными сталями, такими как 20MnCr5 и 16MnCr5, даже в-науглероженном состоянии. Ключевые результаты: Усталостная прочность на 48 % выше, чем у 16MnCr5 в-науглероженном состоянии. Сравнимые или превосходящие характеристики по сравнению с дробеструйным или шлифованным 20MnCr5 без этих дополнительных этапов. 158Q предлагает значительный потенциал для оптимизации производства зубчатых передач за счет снижения сложности, стоимости и воздействия на окружающую среду. Его изотропные свойства и высокая целостность поверхности делают его особенно подходящим для зубчатых колес сложной или небольшой геометрии, где традиционные методы отделки непрактичны. В конечном счете, 158Q открывает убедительный путь к более эффективному, надежному и устойчивому производству зубчатых передач в автомобильной промышленности и за ее пределами.