Üleminek elektrifitseerimise suunas koos nõudlusega suurema energiatõhususe järele tähendab, et autotööstus on läbimas põhjalike muutuste perioodi. Eelkõige nõuab elektriliste jõuülekannete suurenev kasutuselevõtt, et käigud vastaksid kasvavatele pöördemomendi, vastupidavuse ja NVH (müra, vibratsiooni ja karedus) nõuetele, toetades samal ajal säästvamat ja kuluefektiivsemat tootmist. Ajalooliselt on tavapärased karbureerivad terased, nagu 20MnCr5, osutunud hammasrataste rakendustes edukaks. Tavaliselt nõuavad need aga järeltöötlust-, sh haavlilõikamist, et saavutada nõutav väsimusjõud, ja hambajuurte lihvimist täiendavaks võimendamiseks. Need täiendavad sammud lisavad keerukust ja lisakulusid. Selle taustal on Ovako uurinud uuendusliku legeerimisdisaini kasutamist, et minimeerida graanulitevahelist oksüdatsiooni ja kõrvaldada vajadus järeltöötluse järele. Selle programmi tulemuseks on 20NiMo9-7 (Ovako 158Q), mis pakub potentsiaalset teed tõhusama, usaldusväärsema ja säästvama hammasrataste tootmiseni. Miks gaasiga karboniseerimine on probleem Terase gaasiga karboniseerimise ajal on hapniku osarõhk madal. Nendes tingimustes kalduvad legeerivad elemendid, millel on tugev termodünaamiline afiinsus hapniku suhtes, nagu räni, kroom ja mangaan, läbima selektiivset oksüdatsiooni, mis levib piki terade piire. Selle tulemuseks on oksiidfaaside sissekasv pinnalt terasest aluspinnale, mida sageli nimetatakse intergranulaarseks oksüdatsiooniks (IGO) (viide. 1). See toob kaasa legeerivate elementide lokaalse kahanemise moodustunud oksiidide läheduses, mille tulemusena väheneb nendes piirkondades karastatavus. Terase karastamise korral suurendab see karastavuse vähenemine tõenäosust, et kahjustatud piirkondades moodustuvad mittemartensiitsed mikrostruktuurid, vt joonis 1.

Lisaks tähendab vähenenud kõvastuvus pinna lähedal, et pinnakihi muundumine toimub karastamise ajal varem kui põhijuhtumil. Kuna korpuse sügavamad piirkonnad muutuvad hiljem martensiitselt, millega kaasneb mahupaisumine, tekivad pinnale tõmbejääkpinged.

Oksiid ja madala -tugeva pinnastruktuuri netomõju koos tõmbejääkpingetega mõjutab negatiivselt väsimusjõudlust ja suurendab vastuvõtlikkust pragude tekkele. Tavapäraste karboniseerivate teraste piirangute ületamine Arendusprogrammi ajendiks oli vajadus ületada tavapäraste karbureerivate teraste (nt 20MnCr5) piirangud, eelkõige nende tundlikkus IGO suhtes ja nende nõutud mehaaniliste omaduste saavutamiseks toetumine järeltöötlusprotsessidele, nagu lihvimine ja haavlitamine. Tulemuseks on 20NiMo9-7 (158Q), mis on legeeritud nikli (Ni) ja molübdeeniga (Mo), madala hapnikuafiinsusega elementidega, millel on tugev karastatavus, minimeerides samal ajal räni (Si), mangaani (Mn) ja kroomi (Cr) olemasolu. Martensiitne pinnakiht, millel on suured survejääkpinged, isegi standardsetes atmosfääritingimustes karburiseerimise tingimustes, vt joonis 2. Lisaks toodetakse seda terast kvaliteetse tootmisprotsessi (IQ-Steel) abil, mis tagab kahjulike mittemetalliliste lisandite vähese taseme. See tagab, et terase puhtus ei ole väsimusomadusi piirav tegur.

Tulemuseks on teras, mis tagab suure väsimustugevuse vahetult pärast karburiseerimist, vähendades või kõrvaldades vajaduse järeltöötlemise{0}} järele. See muudab 158Q eriti sobivaks keerukate või väikeste hammasrataste geomeetria jaoks, kus lihvimine või haavlitamine on ebapraktiline, pakkudes sujuvat, kuluefektiivset ja jätkusuutlikku tootmisviisi. 158Q väsimusjõudlus 158Q väsimusjõudlust on hinnatud mitmes uuringus, kasutades erinevaid katseseadeid ja võrdlusmaterjale. Sulamil on püsiv kõrge paindeväsimustugevus, eriti karboniseeritud olekus, ilma et oleks vaja järel{9}}töötlust. VBC aruandes (Åslund et al., 2010) viidi hammasratta hammaste painutamise väsimuskatsed läbi 158Q, 157Q ja 16MnCr5-ga, kasutades pulsaatoritesti (viide{17}}). Tulemused näitasid, et 158Q saavutas umbes 48 protsenti suurema väsimustugevuse kui 16MnCr5, vt tabel 2. Selle põhjuseks oli selle täielikult martensiitne pind ja minimaalne teradevaheline oksüdatsioon (<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.

Aruandes rõhutati veel, et 158Q saavutas selle jõudluse standardse atmosfäärigaasiga karburiseerimisega, ilma et oleks vaja madal{1}}rõhuga karburiseerimist (LPC) või täiendavat pinnatöötlust. See näitas sulami võimet pakkuda tavapäraste seadmete abil LPC-sarnast pinnakvaliteeti-. Võrdlus 157Q-ga, mis läbis samuti IQ protsessi, kuid säilitas kõrgema Mn, Cr ja Si taseme, tõi esile sulami koostise tähtsuse oksüdatsiooni pärssimisel. Kuigi 157Q näitas mõningast paranemist võrreldes 16MnCr5-ga, ei vastanud see 158Q jõudlusele, tugevdades oksüdatsioonikindluse rolli väsimuskäitumises (viide{11}}). Temmel et al. (2009, 2011) uurisid 158Q võrrelduna 20MnCrS5-ga, sealhulgas ühe- ja kahesüstimise mõju (viited. 3, 4). Koristamata seisundis näitas 158Q väsimustugevuse 23-protsendilist paranemist, vt tabel 3. Ühekordne koorimine andis tagasihoidliku lisakasvu, samas kui kahekordne koorimine ei andnud täiendavat kasu ja mõnel juhul isegi vähendas jõudlust, mis on tõenäoliselt tingitud algtaseme ületamisest ja selle piiratud tundlikkusest pinna parandamise töötluste suhtes.

2011. aasta uuringus uuriti ka koorimisega kaasnevaid jääkpinge profiile ja leiti, et kahekordne koorimine vähendas pinna survepinget, mis on tõenäoliselt tingitud pinge lõdvestumisest või pinnakahjustusest. See viitas sellele, et 158Q pinnaseisund pärast karburiseerimist ei näidanud olulist terapiiride oksüdatsiooni ega mitte-martensiitset struktuuri. Seetõttu tuleb täiendavaid töötlusi hoolikalt häälestada, et vältida omaduste halvenemist. Need leiud toetasid ideed, et 158Q-d saab toota ilma täiendava järel-töötluseta (viide{8}}). Borg (2008) hindas 158Q ja 16MnCr5 väsimusjõudlust, kasutades pöörlevate paindekatsete abil sälkudega katsekehasid nii söestunud kui ka haav{15}}tingimustes (viide MPa, võrreldes 811 MPa-ga 16MnCr5 puhul, vt tabel 4. Testid olid kavandatud käigujuure tingimuste simuleerimiseks.

Katsetulemused näitasid, et 158Q võib saavutada kõrge väsimuskindluse ilma pinnatöötluseta. 16MnCr5 näitas sügavamat sisemist oksüdatsiooni ja mitte-martensiitsete muundumissaaduste olemasolu pinna lähedal, mis mõjutas negatiivselt nende väsimustugevust. Jääkpinge mõõtmised näitasid survepingeid pinnal 158Q, samas kui 16MnCr5 näitasid tõmbepingeid. Fraktograafiline analüüs näitas, et 158Q praod tekkisid pinnal pinna kareduse tõttu, samas kui 16MnCr5 puhul olid praod sageli seotud lisandite ja pinna lagunemisega. Uuring tõi esile pinnaseisundi ja jääkpinge oleku tähtsuse väsimustalitluses, eriti geomeetrilistes piirkondades, kus järeltöötlus on piiratud või ebapraktiline (viide{14}}). AGMA tehnilises dokumendis (Aylott et al., 2024) testiti 158Q-d mitmesugustes pinnatingimustes, karbureerituna, haavliga peenestatud, jahvatatud ja nende erinevates kombinatsioonides (viide{19}}). See ületas järjekindlalt 20 MnCr5, isegi kui viimast viidi läbi duplekspuhastuse või lihvimisega, vt tabel 5. Kuigi järeltöötlused parandasid jõudlust veelgi, oli kasv suhteliselt väike, mis näitab, et as-söestunud omadused saavutasid juba pärast haavli puhastamist tavapäraselt oodatud taseme, vt joonis 3.

Uuringus märgiti ka, et väsimustugevuse standardhälve suurenes 158Q variandi puhul, kui rakendati täiendavaid ravimeetodeid, mis viitab sellele, et need protsessid tõid kaasa varieeruvuse, mida as-karburiseeritud seisundis ei esinenud. See jõudluse järjepidevus on eriti väärtuslik tootmiskeskkondades, kus protsessi stabiilsus on kriitiline. AGMA paber annab põhjaliku võrdluse erinevate pinnatingimuste vahel, tugevdades 158Q vastupidavust ja selle sobivust rakendusteks, kus järeltöötlus on ebapraktiline või ebasoovitav (viide{6}}). 158Q ravivastuse peamised eelised ja võimalikud rakendused Katsetulemused on järjekindlalt näidanud, et 158Q on söestunud olekus kõrge väsimustugevusega, mis vähendab vajadust -järgsete töötlemisprotsesside järele, nagu haavlite eemaldamine või lihvimine. Kuigi haavliga puhastamine võib anda tagasihoidlikke parandusi, on kasu sageli piiratud ja mõnel juhul väheneb jõudlus, eriti topeltpuhastuse korral. See võib olla tingitud liigsest-lahtinemisest, stressi leevendamisest või pinnakahjustustest. Sulami kõrge pinna kõvadus ja puhas martensiitsestruktuur piiravad plastilise deformatsiooni{17}l põhinevate töötluste tõhusust. Lisaks võib järeltöötlemise tõttu{19}}kaasnev suurenenud pinna karedus või varieeruvus tasakaalustada võimalikke eeliseid. AGMA testimise andmed (viide{21}}) näitavad ka, et pärast-töödeldud proovid näitasid suuremat väsimustugevuse hajumist, mis viitab protsessi vähenenud järjepidevusele. Need leiud rõhutavad, et 158Q pinnaseisund on juba optimaalse lähedal ja et järeltöötlust tuleks hoolikalt hinnata või potentsiaalselt kõrvaldada. Raske{27}}lihvimise ja väikeste hammasrataste probleemide lahendamine Lihvimine on sageli soovitud viimistlusprotsess hammasrataste puhul, mis nõuavad mõõtmete täpsust, pinna kvaliteeti ja õiget hammasratta geomeetriat. Eriti keeruliseks muutub see aga keerukate kujundite ja kitsaste tolerantside käsitlemisel. Mõjutegurid, nagu piiratud juurdepääs tööriistadele, termiliste kahjustuste oht ja vajadus spetsiaalsete masinate järele, muudavad protsessi sageli keeruliseks. Hüpoidhammasrataste, sisemiste hammasrataste ja väikeste-mooduli hammasrataste juurdepääs tööriistadele on sageli piiratud, mistõttu on profiili täielik -lihvimine kas äärmiselt keeruline või täiesti teostamatu. Täisprofiili lihvimist kasutatakse sageli siis, kui on vaja ülekande jõudlust veelgi parandada. See on ülalmainitud käikude puhul keeruline. Ja sellistel juhtudel peavad materjalid andma lõpliku pinna terviklikkuse vahetult pärast kuumtöötlust. Seetõttu sobib 158Q eriti hästi-käigutüüpidele, kus traditsioonilised viimistlusmeetodid ei ole elujõulised. Haavelõhkumine on laialdaselt kasutatav pinnatöötlus, et suurendada väsimustugevust survejääkpingete tekitamise kaudu. Kuid selle efektiivsus väheneb oluliselt, kui seda kasutatakse kitsaste hambajuurte ja keeruka geomeetriaga väikeste hammasrataste puhul. Nendele funktsioonidele on tavapäraste koorimisseadmetega raske juurde pääseda, mistõttu on kriitilistes pingepiirkondades ühtlase katvuse saavutamine keeruline. Õrnade pindade kahjustamise vältimiseks tuleb kasutada väiksemaid osakesi, kuid need kannavad vähem kineetilist energiat ega pruugi anda piisavat survepinget, kui neid ei rakendata suurematel kiirustel, mis muudab protsessi veelgi keerukamaks ja muutlikuks. See piirang on eriti asjakohane kaasaegsete autode ja elektrifitseeritud jõuülekandesüsteemide puhul, kus kompaktsed ja{45}}täpsed käigud on tavalised. Selliste rakenduste jaoks pakuvad materjalid, nagu 158Q, mis tagavad suure väsimuse ilma järeltöötlusele tuginemata,{48}}jõulisemat ja kuluefektiivsemat lahendust. Karburiseerimise ja LPC madala{51}rõhuga karburiseerimise vahelise lõhe ületamine on laialdaselt tunnustatud selle võime tõttu toota puhtaid, ühtlaseid ja minimaalse oksüdatsiooniga kõvastunud pindu. Töötades vaakum{54}}kontrollitud keskkonnas, kõrvaldab LPC teradevahelise oksüdatsiooni, mida tavaliselt seostatakse traditsioonilise gaasikarburiseerimisega, mille tulemuseks on suurepärane pinnakvaliteet ja väsimus. Kuid LPC kasutuselevõttu piiravad sageli suured kapitaliinvesteeringud, erivarustuse nõuded ja vajadus täiustatud protsessijuhtimise teadmiste järele. Paljude ettevõtete jaoks, eriti nende jaoks, kellel on väljakujunenud gaasikarbureerimise infrastruktuur, võib LPC-le üleminek olla kulukas ja tegevust häiriv. Selles kontekstis pakub 158Q mõjuvat alternatiivi, kuna see saavutab puhta, oksüdatsioonikindla pinna isegi tavalistes atmosfääritingimustes, ilma et oleks vaja olemasolevaid kuumtöötlusliine põhjalikult remontida. Seetõttu pakub 158Q praktilist ja odavamat-võimalust käigukasti jõudluse ja jätkusuutlikkuse parandamiseks ettevõtetele, kes soovivad ületada lõhet tavapärase karburiseerimise ja LPC vahel. Jätkusuutlikkus protsessi optimeerimise kaudu Pärast{64}}töötlusetapid, nagu haavli eemaldamine ja juurte lihvimine, tarbivad energiat, tekitavad jäätmeid ja suurendavad püügivahendite tootmise süsiniku jalajälge. Seevastu saavutab 158Q suure väsimustugevuse as-süsistunud olekus, välistades vajaduse nende energia-intensiivsete töötluste järele. Lisaks töötlemisetappide vähendamisele võimaldab 158Q kompaktsemaid ja materjali{70}}säästlikumaid komponente. Selle võime taluda suuremaid koormusi võimaldab väiksemaid konstruktsioone, vähendades iga komponendi üldist terasetarbimist. Suuremahuliste{73}}rakenduste korral võib isegi tagasihoidlik suuruse vähendamine tuua kaasa märkimisväärse kumulatiivse kokkuhoiu tooraine, energia ja heitkoguste osas. Need eelised on kooskõlas laiemate jätkusuutlikkuse eesmärkidega ja toetavad keskkonnasäästlikumat tootmist kogu toote elutsükli jooksul. Kulutõhusus ja tootmise lihtsustamine 158Q võime saavutada suurt väsimustugevust as-söestunud olekus võimaldab märkimisväärset kulude kokkuhoidu ja tootmise efektiivsust. Järeltöötluse{79}}etapid välistades saavad tootjad vähendada tööjõu-, seadmete kasutus- ja hooldusvajadust. See sujuvamaks muutmine lühendab tootmistsükleid, vähendab üldkulusid ja suurendab läbilaskevõimet. Abrasiivsete protsesside vältimine vähendab ka tööriistade kulumist ja kulumaterjalide kulusid, minimeerides samal ajal protsessi kitsaskohti, eriti suure mahuga keskkondades, kus sellised toimingud nagu juure lihvimine võivad olla aeganõudvad. Lihtsustatud töövoog parandab ajakavade paindlikkust ja vähendab pooleliolevat-töö-varu, võimaldades tootjatel saavutada toimivuseesmärke madalamate kuludega ja vähemate töötlemistoimingutega. Kokkuvõte Uus sulam 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) on karbureeriv teras, mis on loodud minimeerima teradevahelist oksüdatsiooni ja kõrvaldama vajaduse järeltöötlemise järele, nagu haavelkoorimine ja lihvimine. Mitmete eksperimentaalsete uuringute läbivaatamisel on 158Q järjekindlalt näidanud paremat väsimusjõudlust võrreldes tavaliste terastega, nagu 20MnCr5 ja 16MnCr5, isegi kui{103}}söestunud olekus. Peamised leiud on järgmised: kuni 48 protsenti suurem väsimustugevus kui 16MnCr5 karboniseeritud olekus. Võrreldav või parem jõudlus haaveldatud või jahvatatud 20MnCr5-ga ilma nende täiendavate sammudeta 158Q pakub märkimisväärset potentsiaali hammasrataste tootmise sujuvamaks muutmiseks, vähendades keerukust, kulusid ja keskkonnamõju. Selle isotroopsed omadused ja kõrge pinna terviklikkus muudavad selle eriti sobivaks keerukate või väikeste hammasrataste geomeetria jaoks, kus traditsioonilised viimistlusmeetodid on ebapraktilised. Lõppkokkuvõttes pakub 158Q veenvat teed tõhusama, töökindlama ja jätkusuutlikuma käigukasti tootmise suunas nii autotööstuses kui ka mujal.