Pomak ka elektrifikaciji, u kombinaciji sa zahtjevom za većom energetskom efikasnošću, znači da automobilska industrija prolazi kroz period duboke transformacije. Konkretno, sve veće korištenje električnih pogonskih sklopova zahtijeva da zupčanici zadovolje sve veće zahtjeve za kapacitetom obrtnog momenta, izdržljivošću i NVH (buka, vibracije i grubost), dok istovremeno podržavaju održiviju i isplativiju proizvodnju. Istorijski gledano, konvencionalni čelici za naugljičenje poput 20MnCr5 pokazali su se uspješnim u primjenama zupčanika. Međutim, oni obično zahtijevaju procese nakon{6}}liječenja, uključujući brizganje radi postizanja potrebnih performansi zamora i brušenje korijena zuba za daljnje jačanje. Ovi dodatni koraci dodaju složenost i troškove. S obzirom na to, Ovako je istražio primjenu inovativnog dizajna legure kako bi se minimizirala intergranularna oksidacija i eliminirala potreba za naknadnim tretmanom. Rezultat ovog programa je 20NiMo9-7 (Ovako 158Q) koji nudi potencijalni put do efikasnije, pouzdanije i održivije proizvodnje zupčanika. Zašto je naugljičenje plinom problem Tokom plinskog naugljičenja čelika, postoji nizak parcijalni pritisak kisika. U ovim uslovima, legirajući elementi sa jakim termodinamičkim afinitetom za kiseonik, kao što su silicijum, hrom i mangan, imaju tendenciju da se podvrgnu selektivnoj oksidaciji koja se širi duž granica zrna. Ovo rezultira unutrašnjim rastom oksidnih faza sa površine u čeličnu podlogu, što se često naziva intergranularna oksidacija (IGO) (Ref. 1). To dovodi do lokaliziranog iscrpljivanja legirajućih elemenata u blizini nastalih oksida, što rezultira smanjenjem otvrdljivosti u tim područjima. Kada je čelik kaljen, ovo smanjenje kaljivosti povećava vjerovatnoću formiranja nemartenzitnih mikrostruktura u zahvaćenim područjima, vidi sliku 1.

Nadalje, smanjena kaljivost u blizini površine znači da se transformacija površinskog sloja događa ranije nego u osnovnom slučaju tijekom gašenja. Kako se dublja područja kućišta naknadno martenzitno transformiraju, praćena volumetrijskim širenjem, na površinu se unose zaostala vlačna naprezanja.

Neto efekat oksida i površinske strukture niske{0}}vrste, u kombinaciji sa zaostalim naprezanjem zatezanja, negativno utiče na performanse zamora i povećava podložnost nastanku pukotina. Prevazilaženje ograničenja konvencionalnih čelika za naugljičenje Program razvoja je bio vođen potrebom da se prevaziđu ograničenja konvencionalnih čelika za naugljičenje kao što je 20MnCr5, posebno njihova osjetljivost na IGO i oslanjanje na procese naknadne obrade kao što su brušenje i sačmarenje kako bi se postigla njihova potrebna mehanička svojstva. Rezultat je 20NiMo9-7 (158Q), legiran niklom (Ni) i molibdenom (Mo), elementi sa niskim afinitetom prema kiseoniku i jakim doprinosom otvrdnjavanju, dok se minimizira prisustvo silicijuma (Si), mangana (Mn) i hroma (Cr){{12}omogućava potpuni sastav I GO. vidi tabelu. martenzitni površinski sloj sa visokim tlačnim zaostalim naponima, čak i pod standardnim atmosferskim uvjetima karburizacije, vidi sliku 2. Dodatno, ovaj čelik se proizvodi vrhunskim proizvodnim procesom (IQ-čelik), koji osigurava niske razine štetnih nemetalnih inkluzija. Ovo osigurava da čistoća čelika nije ograničavajući faktor za svojstva zamora.

Rezultat je čelik koji daje visoku čvrstoću na zamor direktno nakon karburizacije, smanjujući ili eliminirajući potrebu za naknadnom{0}}obradom. Ovo čini 158Q posebno pogodnim za složene ili male geometrije zupčanika gdje su brušenje ili brizganje nepraktični, nudeći aerodinamičan, troškovno{3}}efikasan i održiv put proizvodnje. Performanse zamora 158Q Performanse zamora 158Q ocijenjene su u nekoliko studija korištenjem različitih testnih postavki i referentnih materijala. Legura ima konzistentno visoku otpornost na zamor pri savijanju, posebno u -ugljičenom stanju, bez potrebe za naknadnim- procesima obrade. U izvještaju VBC (Åslund et al., 2010.), ispitivanja zamora savijanja zubaca zupčanika provedena su na 158Q, 157Q i 16MnCr5 pomoću uređaja za ispitivanje pulsatora (Ref. 2). Rezultati su pokazali da je 158Q postigao zamornu čvrstoću približno 48 posto veću od 16MnCr5, vidi tabelu 2. To se pripisuje njegovoj potpuno martenzitnoj površini, minimalnoj intergranularnoj oksidaciji (<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.

U izvještaju se dalje naglašava da je 158Q postigao ove performanse korištenjem standardnog atmosferskog naugljičavanja plinom, bez potrebe za naugljičenjem pod niskim-pritiskom (LPC) ili dodatnim površinskim tretmanima. Ovo je pokazalo sposobnost legure da isporuči kvalitet površine kao što je LPC- koristeći konvencionalnu opremu. Poređenje sa 157Q, koji je također prošao IQ proces, ali je zadržao više razine Mn, Cr i Si, naglasilo je važnost sastava legure u suzbijanju oksidacije. Dok je 157Q pokazao određeno poboljšanje u odnosu na 16MnCr5, nije odgovarao performansama 158Q, pojačavajući ulogu otpornosti na oksidaciju u ponašanju zamora (Ref. 2). Temmel et al. (2009, 2011) ispitali su 158Q u poređenju sa 20MnCrS5, uključujući efekte jednostrukog i dvostrukog peeniranja (Refs. 3, 4). U neočišćenom stanju, 158Q je pokazao poboljšanje od 23 posto u čvrstoći na zamor, vidi tabelu 3. Jednostruko obrađivanje je dalo skromno dodatno povećanje, dok dvostruko čišćenje nije donijelo dodatne prednosti, a u nekim slučajevima čak i smanjene performanse, vjerovatno zbog prekoračenja osnovnih performansi i njegove ograničene osjetljivosti na tretmane poboljšanja površine.

Studija iz 2011. također je istraživala profile zaostalih naprezanja uvedene šmirganjem i otkrila da dvostruko obrađivanje smanjuje površinsko tlačno naprezanje, vjerojatno zbog opuštanja naprezanja ili oštećenja površine. Ovo sugerira da površinsko stanje 158Q nakon karburizacije nije pokazalo nikakvu značajnu oksidaciju na granici zrna ili nema{3}}martenzitnu strukturu. Stoga, dodatne tretmane treba pažljivo podesiti kako bi se izbjeglo pogoršanje svojstava. Ovi nalazi podržavaju ideju da se 158Q može proizvesti bez dodatne naknadne-obrade (Ref. 4). Borg (2008) je procijenio performanse zamora 158Q i 16MnCr5 korištenjem rotirajućih testova savijanja na urezanim uzorcima, kako u-ugljičenim tako iu-uglađenim uslovima (Ref. 5). 158Q je pokazao najveći domet u stanju zamora{18} 985 MPa, u usporedbi s 811 MPa za 16MnCr5, vidi tablicu 4. Testovi su dizajnirani da simuliraju uvjete korijena zupčanika.

Rezultati ispitivanja su pokazali da 158Q može postići visoku otpornost na zamor bez potrebe za površinskim tretmanima. 16MnCr5 je pokazao dublju unutrašnju oksidaciju i prisustvo ne-martenzitnih proizvoda transformacije u blizini površine, što je negativno uticalo na njihovu čvrstoću na zamor. Mjerenja zaostalih naprezanja pokazala su tlačna naprezanja na površini za 158Q, dok je 16MnCr5 pokazao vlačna naprezanja. Fraktografska analiza otkrila je da su pukotine u 158Q nastale na površini zbog hrapavosti površine, dok su u 16MnCr5 pukotine često bile povezane s inkluzijama i degradacijom površine. Studija je naglasila važnost stanja površine i stanja zaostalog naprezanja u performansama zamora, posebno u geometrijama gdje je naknadna-obrada ograničena ili nepraktična (Ref. 5). U tehničkom dokumentu AGMA (Aylott et al., 2024.), 158Q je testiran u različitim površinskim uvjetima, naugljičenim, sačmarenim, mljevenim iu različitim kombinacijama (Ref. 6). Konzistentno je nadmašio 20MnCr5, čak i kada je potonji bio podvrgnut dupleksnom pjenastom ili brušenju, vidi tabelu 5. Dok su post{24}}tretmani dodatno poboljšali performanse, dobici su bili relativno mali, što ukazuje da su svojstva -ugljikovanja već dostizala nivo koji se inače očekuje nakon slike pe3.

Studija je također primijetila da se standardna devijacija u čvrstoći na zamor povećala za varijantu 158Q kada su primijenjeni dodatni tretmani, što sugerira da su ovi procesi unijeli varijabilnost koja nije bila prisutna u-ugljeničnom stanju. Ova konzistentnost u performansama je posebno vrijedna u proizvodnim okruženjima gdje je stabilnost procesa kritična. AGMA papir pruža sveobuhvatno poređenje višestrukih površinskih uslova, pojačavajući robusnost 158Q i njegovu pogodnost za primjene gdje je naknadni{5}}tretman nepraktičan ili nepoželjan (Ref. 6). Ključne prednosti i moguće primjene 158Q post-odgovora nakon tretmana Eksperimentalni rezultati su dosljedno pokazali da 158Q pokazuje visoku čvrstoću na zamor u-ugljičenom stanju, smanjujući potrebu za procesima naknadnog-obrada kao što je mješenje ili brušenje. Iako brizganje sa šamama može pružiti skromna poboljšanja, dobici su često ograničeni i, u nekim slučajevima, performanse su smanjene, posebno kod dvostrukog brizganja. Ovo može biti zbog prekomjernog{{15}efekta otvora, opuštanja stresa ili induciranih površinskih oštećenja. Visoka površinska tvrdoća legure i čista martenzitna struktura ograničavaju efikasnost tretmana na bazi plastične deformacije{17}}. Osim toga, povećana hrapavost površine ili varijabilnost uvedena naknadnom-obradom može nadoknaditi potencijalne prednosti. Podaci iz AGMA testiranja (Ref. 5) također ukazuju da su naknadno-tretirani uzorci pokazali veći raspršivanje čvrstoće na zamor, što ukazuje na smanjenu konzistentnost procesa. Ovi nalazi naglašavaju da je stanje površine 158Q već blizu optimalnog i da bi naknadni{25}}tretman trebalo pažljivo procijeniti ili potencijalno eliminirati. Rješavanje izazova tvrdog-za-brušenja i malih zupčanika Brušenje je često željeni proces završne obrade za zupčanike koji zahtijevaju tačnost dimenzija, kvalitet površine i ispravnu geometriju zubaca zupčanika. Međutim, to postaje posebno izazovno kada se radi o složenim oblicima i uskim tolerancijama. Faktori koji utiču na to kao što su ograničen pristup alatu, rizik od termičkog oštećenja i potreba za specijalizovanim mašinama često komplikuju proces. Hipoidni zupčanici, unutrašnji zupčanici i mali-zupčanici modula često predstavljaju ograničen pristup alatu, što brušenje punog-profila čini izuzetno izazovnim ili potpuno neizvodljivim. Brušenje punog profila se često koristi kada postoji potreba da se dodatno poboljša performanse zupčanika. Ovo je izazovno na gore navedenim zupčanicima. I u takvim slučajevima, materijali moraju pružiti konačni integritet površine neposredno nakon toplinske obrade. Ovo čini 158Q posebno dobro-prikladnim za tipove zupčanika gdje tradicionalne metode završne obrade nisu održive. Sačmarenje je široko korištena površinska obrada za povećanje čvrstoće na zamor uvođenjem tlačnih zaostalih napona. Međutim, njegova učinkovitost značajno opada kada se primjenjuje na male zupčanike s uskim korijenima zuba i složenom geometrijom. Ovim karakteristikama je teško pristupiti sa konvencionalnom opremom za peening, što čini izazovom postizanje ujednačene pokrivenosti u kritičnim područjima stresa. Kako bi se izbjeglo oštećenje osjetljivih površina, moraju se koristiti manje čestice sačme, ali one nose manju kinetičku energiju i možda neće dati dovoljno tlačnog naprezanja osim ako se ne primjenjuju većim brzinama, što dovodi do daljnje složenosti i varijabilnosti u procesu. Ovo ograničenje je posebno relevantno u modernim automobilskim i elektrificiranim pogonskim sistemima, gdje su kompaktni, visoko{45}}precizni zupčanici uobičajeni. Za takve primjene, materijali kao što je 158Q, koji daju visoke performanse zamora bez oslanjanja na naknadni{48}}tretman, nude robusnije i isplativije rješenje{49}. Premošćivanje jaza između karburizacije i LPC niskog{51}}ugljikovanja{51}}naugljikovanja je naširoko poznata po svojoj sposobnosti da proizvede čiste, ujednačene površine{52}}očvršćene kućište uz minimalnu oksidaciju. Radeći u vakuumu{54}}kontrolisanom okruženju, LPC eliminiše intergranularnu oksidaciju koja je tipično povezana sa tradicionalnim naugljičenjem gasa, što rezultira superiornim kvalitetom površine i performansama zamora. Međutim, usvajanje LPC-a je često ograničeno visokim kapitalnim ulaganjem, zahtjevima za specijaliziranom opremom i potrebom za naprednom stručnošću u kontroli procesa. Za mnoge kompanije, posebno one sa uspostavljenom infrastrukturom za karburizaciju gasa, prelazak na LPC može biti skup i remetljiv u radu. U ovom kontekstu, 158Q nudi uvjerljivu alternativu jer postiže čistu, -otpornu na oksidaciju površinu čak i pod standardnim atmosferskim uvjetima karburizacije, bez potrebe za remontom postojećih linija za toplinsku obradu. Stoga, 158Q pruža praktičan, niži{62}}put do poboljšanih performansi i održivosti zupčanika za kompanije koje žele premostiti jaz između konvencionalnog karburiziranja i LPC-a. Održivost kroz optimizaciju procesa Post-koraci tretmana kao što su mletenje i mljevenje korijena troše energiju, stvaraju otpad i povećavaju ugljični otisak proizvodnje zupčanika. Nasuprot tome, 158Q postiže visoku čvrstoću na zamor u -ugljičenom stanju, eliminirajući potrebu za ovim energetski{68}}intenzivnim tretmanima Osim smanjenja koraka obrade, 158Q omogućava kompaktniji i materijal{70}}efikasniji dizajn komponenti. Njegova sposobnost da izdrži veća opterećenja omogućava manje dizajne, smanjujući ukupnu potrošnju čelika za svaku komponentu. U velikim{73}}primjenama, čak i skromna smanjenja veličine mogu dovesti do značajnih kumulativnih ušteda sirovina, energije i emisija. Ove prednosti su u skladu sa širim ciljevima održivosti i podržavaju ekološki odgovorniju proizvodnju kroz životni ciklus proizvoda. Ekonomičnost i pojednostavljenje proizvodnje Sposobnost 158Q da postigne visoku čvrstoću na zamor u -ugljeničnom stanju omogućava značajne uštede troškova i efikasnost proizvodnje. Eliminacijom koraka nakon{79}}tretmana, proizvođači mogu smanjiti radnu snagu, upotrebu opreme i zahtjeve za održavanjem. Ovo pojednostavljivanje skraćuje proizvodne cikluse, smanjuje režijske troškove i povećava propusnost. Izbjegavanje abrazivnih procesa također smanjuje habanje alata i troškove potrošnog materijala, istovremeno minimizirajući uska grla u procesu, posebno u okruženjima velikog{82}}okruženja gdje operacije poput brušenja korijena mogu-oduzeti vrijeme. Pojednostavljeni radni tok poboljšava fleksibilnost planiranja i smanjuje inventar-u-napretku rada, omogućavajući proizvođačima da ispune ciljeve performansi po nižoj cijeni i sa manje koraka obrade. Zaključak Nova legura 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) je čelik za naugljičenje dizajniran da minimizira intergranularnu oksidaciju i eliminiše potrebu za naknadnim procesima -procesa kao što su brizganje i brušenje. Kroz pregled više eksperimentalnih studija, 158Q je dosljedno demonstrirao superiorne performanse zamora u poređenju sa konvencionalnim čelicima kao što su 20MnCr5 i 16MnCr5, čak i u-ugljičenom stanju. Ključni nalazi uključuju: Do 48 posto veću čvrstoću na zamor od 16MnCr5 u -ugljičenom stanju Uporedive ili superiorne performanse sa mljevenim ili mljevenim 20MnCr5 bez ovih dodatnih koraka 158Q nudi značajan potencijal za pojednostavljenje proizvodnje zupčanika smanjenjem složenosti, troškova i utjecaja na okoliš. Njegova izotropna svojstva i visok površinski integritet čine ga posebno pogodnim za složene ili male geometrije zupčanika gdje su tradicionalne metode završne obrade nepraktične. Konačno, 158Q nudi uvjerljiv put ka efikasnijoj, pouzdanijoj i održivijoj proizvodnji zupčanika u automobilskoj industriji i šire.