Siirtyminen kohti sähköistämistä yhdistettynä energiatehokkuuden parantamiseen merkitsee sitä, että autoteollisuus on läpikäymässä perusteellista muutosta. Erityisesti sähköisten voimansiirtojen lisääntyvä käyttö edellyttää, että vaihteet täyttävät kasvavat vääntökapasiteetin, kestävyyden ja NVH:n (melu, tärinä ja kovuus) vaatimukset ja tukevat samalla kestävämpää ja kustannustehokkaampaa valmistusta. Perinteiset hiiletysteräkset, kuten 20MnCr5, ovat perinteisesti osoittautuneet menestyksekkäiksi vaihteistosovelluksissa. Yleensä ne kuitenkin vaativat jälkikäsittelyn-, mukaan lukien hampaiden kuorinta vaaditun väsymissuorituskyvyn saavuttamiseksi ja hampaiden juurien hiontaa lisää tehostusta varten. Nämä lisävaiheet lisäävät monimutkaisuutta ja lisäävät kustannuksia. Tätä taustaa vasten Ovako on tutkinut innovatiivisen seostussuunnittelun soveltamista rakeiden välisen hapettumisen minimoimiseksi ja jälkikäsittelyn tarpeen poistamiseksi. Tämän ohjelman tulos on 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), joka tarjoaa potentiaalisen tien tehokkaampaan, luotettavampaan ja kestävämpään vaihteistovalmistukseen. Miksi kaasuhiiletys on ongelma Teräksen kaasuhiiletyksen aikana hapen osapaine on alhainen. Näissä olosuhteissa seosaineet, joilla on vahva termodynaaminen affiniteetti happea kohtaan, kuten pii, kromi ja mangaani, pyrkivät läpikäymään selektiivistä hapettumista, joka etenee raerajoja pitkin. Tämä johtaa oksidifaasien sisäänpäin kasvamiseen pinnasta terässubstraattiin, jota usein kutsutaan intergranular hapetukseksi (IGO) (Ref. 1). Tämä johtaa seostusalkuaineiden paikalliseen ehtymiseen muodostuneiden oksidien läheisyydessä, mikä johtaa näiden alueiden kovettuvuuden heikkenemiseen. Kun teräs jäähdytetään, tämä karkenevuuden heikkeneminen lisää ei-martensiittisten mikrorakenteiden muodostumisen todennäköisyyttä vahingoittuneille alueille, katso kuva 1.

Lisäksi alentunut karkenevuus lähellä pintaa tarkoittaa, että pintakerroksen muutos tapahtuu aikaisemmin kuin taustalla olevassa tapauksessa karkaisun aikana. Kun kotelon syvemmät alueet myöhemmin muuttuvat martensiittinen ja tilavuuslaajeneminen, pintaan syntyy vetojännösjännityksiä.

Oksidin ja matalan -lujuuden pintarakenteen nettovaikutus yhdistettynä jäännösvetolujuuteen heikentää väsymissuorituskykyä ja lisää herkkyyttä halkeamien alkamiselle. Perinteisten hiiletysterästen rajoitusten voittaminen Kehitysohjelman taustalla oli tarve voittaa tavanomaisten hiiletysterästen, kuten 20MnCr5, rajoitukset, erityisesti niiden herkkyys IGO:lle ja riippuvuus jälkikäsittelyprosesseista, kuten hiomisesta ja haukunpoistosta vaadittujen mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. Tuloksena on 20NiMo9-7 (158Q), joka on seostettu nikkelillä (Ni) ja molybdeenillä (Mo), alkuaineilla, joilla on alhainen happiaffiniteetti ja vahva kovettuvuus, mutta samalla minimoi piin (Si), mangaanin (Mn) ja kromin (Cr) läsnäolon. martensiittinen pintakerros, jossa on suuret puristusjäännösjännitykset, jopa normaaleissa ilmakehän hiiletysolosuhteissa, katso kuva 2. Lisäksi tämä teräs valmistetaan korkealuokkaisella tuotantoprosessilla (IQ-Steel), joka varmistaa haitallisten ei-metallisten sulkeumien vähäisen määrän. Näin varmistetaan, että teräksen puhtaus ei ole väsymisominaisuuksia rajoittava tekijä.

Tuloksena on teräs, joka tarjoaa korkean väsymislujuuden heti hiiletyksen jälkeen, mikä vähentää tai poistaa jälkikäsittelyn tarpeen. Tämä tekee 158Q:sta erityisen sopivan monimutkaisille tai pienille hammaspyörien geometrioille, joissa hionta tai haalarit ovat epäkäytännöllisiä. Se tarjoaa virtaviivaisen, kustannustehokkaan ja kestävän valmistusreitin. 158Q:n väsymiskyky 158Q:n väsymissuorituskykyä on arvioitu useissa tutkimuksissa käyttämällä erilaisia ​​testiasetuksia ja vertailumateriaaleja. Seoksella on tasaisesti korkea taivutusväsymislujuus, erityisesti as-hiiltyneessä tilassa ilman jälkikäsittelyn tarvetta. VBC-raportissa (Åslund et al., 2010) hammaspyörän hampaiden taivutusväsymystestit suoritettiin 158Q:lle, 157Q:lle ja 16MnCr5:lle käyttämällä pulsaattoritestilaitteita (viite. 2). Tulokset osoittivat, että 158Q saavutti väsymislujuuden, joka oli noin 48 prosenttia korkeampi kuin 16MnCr5, katso taulukko 2. Tämä johtui sen täysin martensiittisesta pinnasta, minimaalisesta rakeidenvälisestä hapettumisesta (<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.

Raportissa korostettiin lisäksi, että 158Q saavutti tämän suorituskyvyn käyttämällä tavallista ilmakehän kaasuhiiletystä ilman matalapainehiiletystä (LPC) tai ylimääräisiä pintakäsittelyjä. Tämä osoitti lejeeringin kyvyn tuottaa LPC-kaltaista pintalaatua perinteisillä laitteilla. Vertailu 157Q:han, joka myös käytti läpi IQ-prosessin, mutta säilytti korkeammat Mn-, Cr- ja Si-tasot, korosti lejeeringin koostumuksen tärkeyttä hapettumisen estämisessä. Vaikka 157Q osoitti jonkin verran parannusta 16MnCr5:een, se ei vastannut 158Q:n suorituskykyä, mikä vahvistaa hapettumiskestävyyden roolia väsymiskäyttäytymisessä (Ref. 2). Temmel et ai. (2009, 2011) tarkastelivat 158Q:ta verrattuna 20MnCrS5:een, mukaan lukien kerta- ja kaksoispuhalluksen vaikutukset (viitteet. 3, 4). Siivoamattomassa tilassa 158Q osoitti 23 prosentin parannusta väsymislujuudessa, katso taulukko 3. Yksittäinen kuorinta lisäsi vaatimatonta lisäarvoa, kun taas kaksinkertainen kuorinta ei tuottanut lisähyötyjä ja joissakin tapauksissa jopa heikensi suorituskykyä, mikä johtui todennäköisesti perussuorituskyvyn ylittämisestä ja sen rajallisesta herkkyydestä pintaa parantaville käsittelyille.

Vuoden 2011 tutkimuksessa tutkittiin myös kuorinnan aiheuttamia jäännösjännitysprofiileja ja havaittiin, että kaksinkertainen kuoriminen vähensi pinnan puristusjännitystä, mikä johtuu todennäköisesti jännityksen rentoutumisesta tai pintavauriosta. Tämä viittasi siihen, että 158Q:n pinnan kunto hiiletyksen jälkeen ei osoittanut merkittävää raerajojen hapettumista tai ei--martensiittista rakennetta. Siksi lisäkäsittelyt on säädettävä huolellisesti, jotta ominaisuudet eivät heikkene. Nämä havainnot tukivat ajatusta, että 158Q voitaisiin valmistaa ilman lisä-jälkikäsittelyä (viite. 4). Borg (2008) arvioi 158Q:n ja 16MnCr5:n väsymissuorituskyvyn käyttämällä pyöriviä taivutuskokeita lovetuilla näytteillä sekä as-hiiltyneissä että ammus{15}}-olosuhteissa (viite. 5). 158Q osoitti korkeimman väsymisrajan, 9,58, saavuttaa korkeimman väsymisrajan{18. MPa verrattuna 811 MPa:aan 16MnCr5:llä, katso taulukko 4. Testit suunniteltiin simuloimaan vaihteiston juuriolosuhteita.

Testitulokset osoittivat, että 158Q voi saavuttaa korkean väsymiskestävyyden ilman pintakäsittelyjä. 16MnCr5 osoitti syvempää sisäistä hapettumista ja ei--martensiittisia muunnostuotteita pinnan lähellä, mikä vaikutti negatiivisesti niiden väsymislujuuteen. Jäännösjännitysmittaukset osoittivat puristusjännitykset pinnalla 158Q, kun taas 16MnCr5 osoitti vetojännitystä. Fraktografinen analyysi paljasti, että 158Q:n halkeamat alkoivat pinnalla pinnan karheuden vuoksi, kun taas 16MnCr5:ssä halkeamat liittyivät usein sulkeumiin ja pinnan huonontumiseen. Tutkimus korosti pinnan kunnon ja jäännösjännitystilan merkitystä väsymissuorituskyvyssä, erityisesti geometrioissa, joissa jälkikäsittely on rajoitettua tai epäkäytännöllistä (viite{14}}). AGMA:n teknisessä paperissa (Aylott et al., 2024) 158Q:ta testattiin erilaisissa pinta-olosuhteissa, hiilentettynä, hiottuina, hiottuina ja niiden eri yhdistelminä (Ref. 6). Se ylitti jatkuvasti 20 MnCr5:n, vaikka jälkimmäiselle tehtiin kaksipuolinen kuoriminen tai hionta, katso taulukko 5. Vaikka jälkikäsittelyt paransivat entisestään suorituskykyä, lisäykset olivat suhteellisen pieniä, mikä osoittaa, että as-hiiletyt ominaisuudet olivat jo saavuttamassa normaalisti odotetun tason haukon jälkeen, katso kuva 3.

Tutkimuksessa todettiin myös, että 158Q-variantin väsymislujuuden keskihajonta kasvoi, kun käytettiin lisäkäsittelyjä, mikä viittaa siihen, että nämä prosessit aiheuttivat vaihtelua, jota ei esiintynyt as-hiiltyneessä tilassa. Tämä suorituskyvyn johdonmukaisuus on erityisen arvokasta tuotantoympäristöissä, joissa prosessin vakaus on kriittistä. AGMA-paperi tarjoaa kattavan vertailun useista pintaolosuhteista, mikä vahvistaa 158Q:n kestävyyttä ja sen soveltuvuutta sovelluksiin, joissa jälkikäsittely on epäkäytännöllistä tai ei-toivottua (viite. 6). 158Q:n jälkeisen-käsittelyvasteen tärkeimmät edut ja mahdolliset sovellukset Kokeet ovat jatkuvasti osoittaneet, että 158Q:lla on korkea väsymislujuus hiiltyneessä{11}}tilassa, mikä vähentää jälkikäsittelyprosessien, kuten haulin{12}}kuorinnan tai hiontaan tarvetta. Vaikka hajotus voi tarjota vaatimattomia parannuksia, voitot ovat usein rajallisia ja joissakin tapauksissa suorituskyky heikkenee, erityisesti kaksoispuhalluksella. Tämä voi johtua liiallisesta-kuilusta, stressin rentoutumisesta tai aiheutettuista pintavaurioista. Seoksen korkea pintakovuus ja puhdas martensiittinen rakenne rajoittavat plastiseen muodonmuutokseen perustuvien käsittelyjen tehokkuutta. Lisäksi jälkikäsittelyn aiheuttama lisääntynyt pinnan karheus tai vaihtelevuus{19}voi kumota mahdolliset edut. AGMA-testauksen tiedot (viite. 5) osoittavat myös, että jälki-käsitellyt näytteet osoittivat suurempaa sirontaa väsymislujuudessa, mikä viittaa heikentyneeseen prosessin johdonmukaisuuteen. Nämä havainnot korostavat, että 158Q:n pinnan kunto on jo lähellä optimaalista ja että jälkikäsittely tulee arvioida huolellisesti tai se on mahdollisesti eliminoitava. Vaikeasti-hiottavien ja{28}}pienten hammaspyörien haasteisiin vastaaminen Hionta on usein haluttu viimeistelyprosessi hammaspyörille, jotka vaativat mittatarkkuutta, pinnan laatua ja oikeaa hammaspyörän hammasgeometriaa. Siitä tulee kuitenkin erityisen haastavaa, kun käsitellään monimutkaisia ​​muotoja ja tiukkoja toleransseja. Vaikuttavat tekijät, kuten rajoitettu työkalujen saatavuus, lämpövaurioiden riski ja erikoiskoneiden tarve, vaikeuttavat usein prosessia. Hypoidihammaspyörät, sisäiset hammaspyörät ja pienet -moduulivaihteet tarjoavat usein rajoitetun työkalun käyttömahdollisuuden, mikä tekee profiilin{33}}hionnasta joko erittäin haastavaa tai täysin mahdotonta. Täysprofiilihiontaa käytetään usein, kun vaihteiston suorituskykyä on parannettava entisestään. Tämä on haastavaa yllä mainituilla vaihteilla. Ja tällaisissa tapauksissa materiaalien on toimitettava lopullinen pinnan eheys heti lämpökäsittelyn jälkeen. Tämä tekee 158Q:sta erityisen-sopivan vaihteistotyypeille, joissa perinteiset viimeistelymenetelmät eivät ole käyttökelpoisia. Haalari on laajalti käytetty pintakäsittely, joka parantaa väsymislujuutta lisäämällä puristusjäännösjännitystä. Sen tehokkuus kuitenkin heikkenee merkittävästi, kun sitä käytetään pienissä hammaspyörissä, joissa on kapeat hammasjuuret ja monimutkaiset geometriat. Näihin ominaisuuksiin on vaikea päästä käsiksi tavanomaisilla kuorintalaitteilla, minkä vuoksi on haastavaa saavuttaa tasainen peitto kriittisillä jännitysalueilla. Herkkien pintojen vaurioitumisen välttämiseksi on käytettävä pienempiä hiukkasia, mutta ne sisältävät vähemmän kineettistä energiaa eivätkä välttämättä anna riittävää puristusjännitystä, ellei niitä käytetä suuremmilla nopeuksilla, mikä lisää prosessin monimutkaisuutta ja vaihtelua. Tämä rajoitus on erityisen olennainen nykyaikaisissa autoissa ja sähköistetyissä voimansiirtojärjestelmissä, joissa kompaktit, -tarkkaat vaihteet ovat yleisiä. Tällaisissa sovelluksissa materiaalit, kuten 158Q, jotka tarjoavat korkean väsymissuorituskyvyn ilman jälkikäsittelyä, tarjoavat kestävämmän ja kustannustehokkaamman ratkaisun. Hiiletyksen ja LPC:n välisen kuilun kurominen matalapaineinen{51}}hiiletys tunnetaan laajalti kyvystään tuottaa puhtaita, tasalaatuisia, karkaistuja pintoja minimaalisella hapetuksella. Tyhjiökontrolloidussa ympäristössä toimiva LPC eliminoi rakeiden välisen hapettumisen, joka tyypillisesti liittyy perinteiseen kaasuhiiletykseen, mikä johtaa erinomaiseen pinnan laatuun ja väsymiskykyyn. LPC:n käyttöönottoa rajoittavat kuitenkin usein suuret pääomasijoitukset, erikoislaitteet ja edistyneen prosessinohjausasiantuntemuksen tarve. Monille yrityksille, varsinkin niille, joilla on vakiintunut kaasuhiiletysinfrastruktuuri, siirtyminen LPC:hen voi olla kallista ja toimintaa häiritsevää. Tässä yhteydessä 158Q tarjoaa vakuuttavan vaihtoehdon, sillä se saavuttaa puhtaan, hapettumista kestävän pinnan jopa normaaleissa ilmakehän hiiletysolosuhteissa ilman, että olemassa olevia lämpökäsittelylinjoja tarvitsee uudistaa. Siksi 158Q tarjoaa käytännöllisen ja edullisemman tavan parantaa vaihteiston suorituskykyä ja kestävyyttä yrityksille, jotka pyrkivät kuromaan umpeen perinteisen kaasutuksen ja LPC:n välistä kuilua. Kestävyys prosessin optimoinnin avulla Jälkikäsittelyvaiheet, kuten haukunpoisto ja juurien jauhaminen, kuluttavat energiaa, synnyttävät jätettä ja lisäävät pyydystuotannon hiilijalanjälkeä. Sitä vastoin 158Q saavuttaa suuren väsymislujuuden as-hiiletyssä tilassa, mikä eliminoi näiden energia-intensiivisten käsittelyjen tarpeen. Prosessointivaiheiden vähentämisen lisäksi 158Q mahdollistaa kompaktimman ja materiaalitehokkaamman komponenttien suunnittelun. Sen kyky kestää suurempia kuormia mahdollistaa pienempiä malleja, mikä vähentää kunkin komponentin kokonaisteräksen kulutusta. Suurten{73}}volyymien sovelluksissa jopa vaatimattomat koon pienennykset voivat johtaa merkittäviin kumulatiivisiin säästöihin raaka-aineissa, energiassa ja päästöissä. Nämä edut sopivat yhteen laajempien kestävyystavoitteiden kanssa ja tukevat ympäristöystävällisempää valmistusta tuotteen koko elinkaaren ajan. Kustannustehokkuus ja valmistuksen yksinkertaistaminen 158Q:n kyky saavuttaa korkea väsymislujuus as-hiiltetyssä tilassa mahdollistaa merkittäviä kustannussäästöjä ja tuotannon tehokkuutta. Jälkikäsittelyvaiheiden poistaminen{79}}valmistajat voivat vähentää työvoiman, laitteiden käyttöä ja huoltotarvetta. Tämä virtaviivaistaminen lyhentää tuotantosyklejä, alentaa yleiskustannuksia ja lisää läpimenoa. Hankaavien prosessien välttäminen vähentää myös työkalujen kulumista ja kulutuskustannuksia sekä minimoi prosessien pullonkauloja erityisesti suurissa{82}}volyymiympäristöissä, joissa toiminnot, kuten juurien hionta, voivat viedä aikaa. Yksinkertaistettu työnkulku parantaa aikataulujen joustavuutta ja vähentää keskeneräistä-varastoa{86}}, jolloin valmistajat voivat saavuttaa suorituskykytavoitteensa pienemmillä kustannuksilla ja harvemmilla käsittelyvaiheilla. Johtopäätös Uusi metalliseos 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) on hiiletysteräs, joka on suunniteltu minimoimaan rakeiden välistä hapettumista ja eliminoi jälkikäsittelyprosessien, kuten haulittelun ja jauhamisen. Useiden kokeellisten tutkimusten tarkastelun perusteella 158Q on jatkuvasti osoittanut ylivoimaista väsymissuorituskykyä verrattuna tavanomaisiin teräksiin, kuten 20MnCr5 ja 16MnCr5, jopa hiilihapotetussa tilassa. Tärkeimmät havainnot ovat: Jopa 48 prosenttia suurempi väsymislujuus kuin 16MnCr5 hiilihapotetussa tilassa. Suorituskyky verrattavissa tai ylivoimaisesti haulitettuun tai hiottuun 20MnCr5:een ilman näitä lisävaiheita 158Q tarjoaa merkittävää potentiaalia virtaviivaistaa vaihteiden valmistusta vähentämällä monimutkaisuutta, kustannuksia ja ympäristövaikutuksia. Sen isotrooppiset ominaisuudet ja korkea pinnan eheys tekevät siitä erityisen sopivan monimutkaisiin tai pieniin hammaspyörien geometrioihin, joissa perinteiset viimeistelymenetelmät ovat epäkäytännöllisiä. Loppujen lopuksi 158Q tarjoaa houkuttelevan tien tehokkaampaan, luotettavampaan ja kestävämpään vaihteistotuotantoon autoteollisuudessa ja sen ulkopuolella.