Sự chuyển đổi sang điện khí hóa, kết hợp với nhu cầu sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, có nghĩa là ngành công nghiệp ô tô đang trải qua thời kỳ chuyển đổi sâu sắc. Đặc biệt, việc sử dụng hệ thống truyền động điện ngày càng tăng đòi hỏi các bánh răng phải đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng về công suất mô-men xoắn, độ bền và NVH (tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt), đồng thời hỗ trợ quá trình sản xuất bền vững và tiết kiệm chi phí hơn-. Trong lịch sử, các loại thép cacbon hóa thông thường như 20MnCr5 đã chứng tỏ thành công trong các ứng dụng bánh răng. Tuy nhiên, chúng thường yêu cầu các quá trình-điều trị sau, bao gồm cả việc mài mòn để đạt được hiệu suất mỏi cần thiết và mài chân răng để tăng cường hơn nữa. Những bước bổ sung này làm tăng thêm độ phức tạp và chi phí. Trong bối cảnh đó, Ovako đã nghiên cứu ứng dụng thiết kế hợp kim cải tiến để giảm thiểu quá trình oxy hóa giữa các hạt và loại bỏ nhu cầu xử lý sau. Kết quả của chương trình này là 20NiMo9{20}}7 (Ovako 158Q) mang đến một lộ trình tiềm năng để sản xuất thiết bị hiệu quả, đáng tin cậy và bền vững hơn. Tại sao quá trình cacbon hóa khí lại là một vấn đề Trong quá trình cacbon hóa khí bằng thép, có áp suất riêng phần của oxy thấp. Trong những điều kiện này, các nguyên tố hợp kim có ái lực nhiệt động mạnh với oxy, chẳng hạn như silicon, crom và mangan, có xu hướng trải qua quá trình oxy hóa chọn lọc lan truyền dọc theo ranh giới hạt. Điều này dẫn đến sự phát triển hướng vào trong của các pha oxit từ bề mặt vào nền thép, thường được gọi là quá trình oxy hóa giữa các hạt (IGO) (Tham khảo. 1). Điều này dẫn đến sự suy giảm cục bộ các nguyên tố hợp kim ở vùng lân cận của các oxit được hình thành, dẫn đến giảm độ cứng ở những vùng này. Khi thép được tôi, sự giảm độ cứng này làm tăng khả năng hình thành các cấu trúc vi mô không martensitic ở các khu vực bị ảnh hưởng, xem Hình 1.

Hơn nữa, độ cứng gần bề mặt giảm có nghĩa là sự biến đổi của lớp bề mặt xảy ra sớm hơn so với trường hợp cơ bản trong quá trình dập tắt. Khi các vùng sâu hơn của vỏ sau đó biến đổi theo kiểu martensitic, kèm theo sự giãn nở thể tích, ứng suất dư kéo được tạo ra trên bề mặt.

Tác động thực sự của oxit và cấu trúc bề mặt có độ bền -thấp, kết hợp với ứng suất kéo dư, sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất mỏi và tăng khả năng bắt đầu xuất hiện vết nứt. Khắc phục những hạn chế của thép cacbon hóa thông thường Chương trình phát triển được thúc đẩy bởi nhu cầu khắc phục những hạn chế của thép cacbon hóa thông thường như 20MnCr5, đặc biệt là tính nhạy cảm của chúng với IGO và sự phụ thuộc vào các quy trình sau xử lý-như mài và phun bi để đạt được các đặc tính cơ học cần thiết. Kết quả là 20NiMo9{9}}7 (158Q), được hợp kim với niken (Ni) và molypden (Mo), các nguyên tố có ái lực oxy thấp và đóng góp vào độ cứng mạnh, đồng thời giảm thiểu sự hiện diện của silicon (Si), mangan (Mn) và crom (Cr)-xem Bảng 1. Chế phẩm này ngăn chặn IGO và cho phép hình thành lớp bề mặt martensitic hoàn toàn với ứng suất dư nén cao, ngay cả trong điều kiện cacbon hóa khí quyển tiêu chuẩn, xem Hình 2. Ngoài ra, loại thép này được sản xuất thông qua quy trình sản xuất cao cấp (IQ{13}}Thép), đảm bảo hàm lượng tạp chất phi kim loại có hại ở mức thấp. Điều này đảm bảo rằng độ sạch của thép không phải là yếu tố hạn chế các đặc tính mỏi.

Kết quả là loại thép mang lại độ bền mỏi cao ngay sau khi cacbon hóa, giảm hoặc loại bỏ nhu cầu xử lý sau. Điều này làm cho 158Q đặc biệt phù hợp với các dạng hình học bánh răng nhỏ hoặc phức tạp mà việc mài hoặc bắn tinh là không thực tế, mang đến một lộ trình sản xuất bền vững, tiết kiệm chi phí và tiết kiệm chi phí. Hiệu suất mỏi của 158Q Hiệu suất mỏi của 158Q đã được đánh giá trong một số nghiên cứu sử dụng các thiết lập thử nghiệm và tài liệu tham khảo khác nhau. Hợp kim có độ bền mỏi khi uốn cao ổn định, đặc biệt là ở trạng thái-được cacbon hóa mà không cần quá trình-xử lý sau. Trong báo cáo của VBC (Åslund và cộng sự, 2010), các thử nghiệm mỏi do uốn cong của bánh răng đã được tiến hành trên 158Q, 157Q và 16MnCr5 bằng cách sử dụng thiết bị thử nghiệm bộ tạo xung (Ref. 2). Kết quả cho thấy 158Q đạt được độ bền mỏi cao hơn khoảng 48% so với 16MnCr5, xem Bảng 2. Điều này là do bề mặt martensitic hoàn toàn của nó, quá trình oxy hóa giữa các hạt tối thiểu (<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.

Báo cáo nhấn mạnh thêm rằng 158Q đã đạt được hiệu suất này bằng cách sử dụng quá trình cacbon hóa khí quyển tiêu chuẩn mà không yêu cầu quá trình cacbon hóa áp suất thấp (LPC) hoặc xử lý bề mặt bổ sung. Điều này chứng tỏ khả năng của hợp kim trong việc mang lại chất lượng bề mặt giống như LPC- khi sử dụng thiết bị thông thường. Việc so sánh với 157Q, cũng trải qua quá trình IQ nhưng vẫn giữ được hàm lượng Mn, Cr và Si cao hơn, đã nêu bật tầm quan trọng của thành phần hợp kim trong việc ngăn chặn quá trình oxy hóa. Mặc dù 157Q cho thấy một số cải tiến so với 16MnCr5 nhưng nó không phù hợp với đặc tính của 158Q, củng cố vai trò của khả năng chống oxy hóa trong trạng thái mỏi (Tham khảo{11}}). Temmel và cộng sự. (2009, 2011) đã kiểm tra 158Q so với 20MnCrS5, bao gồm cả ảnh hưởng của quá trình tạo hạt đơn và kép (Tham khảo. 3, 4). Trong điều kiện chưa được gia công, 158Q cho thấy độ bền mỏi được cải thiện 23%, xem Bảng 3. Gia công một lần mang lại mức tăng bổ sung khiêm tốn, trong khi gia công kép không mang lại lợi ích gì thêm và, trong một số trường hợp, thậm chí còn giảm hiệu suất, có thể do vượt quá hiệu suất cơ bản và độ nhạy hạn chế của nó đối với các biện pháp xử lý tăng cường bề mặt.

Nghiên cứu năm 2011 cũng khám phá các biên dạng ứng suất dư được tạo ra bởi quá trình rèn và phát hiện ra rằng việc rèn đôi làm giảm ứng suất nén bề mặt, có thể là do sự giãn ứng suất hoặc hư hỏng bề mặt. Điều này cho thấy tình trạng bề mặt của 158Q sau khi cacbon hóa không biểu hiện bất kỳ sự oxy hóa đáng kể nào ở ranh giới hạt hoặc cấu trúc không-martensitic. Vì vậy, các biện pháp xử lý bổ sung cần phải được điều chỉnh cẩn thận để tránh làm suy giảm tính chất. Những phát hiện này ủng hộ ý tưởng rằng 158Q có thể được sản xuất mà không cần xử lý hậu kỳ bổ sung (Tham khảo. 4). Borg (2008) đã đánh giá đặc tính mỏi của 158Q và 16MnCr5 bằng cách sử dụng các thử nghiệm uốn quay trên các mẫu có rãnh khía, cả ở các điều kiện-được cacbon hóa và được bắn-nhỏ (Ref. 5). 158Q cho thấy giới hạn mỏi cao nhất ở trạng thái-được cacbon hóa, đạt 985 MPa, so với 811 MPa đối với 16MnCr5, xem Bảng 4. Các thử nghiệm được thiết kế để mô phỏng các điều kiện của chân răng.

Kết quả thử nghiệm đã chứng minh rằng 158Q có thể đạt được khả năng chống mỏi cao mà không cần xử lý bề mặt. 16MnCr5 cho thấy quá trình oxy hóa bên trong sâu hơn và sự hiện diện của các sản phẩm biến đổi không-martensitic gần bề mặt, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền mỏi của chúng. Các phép đo ứng suất dư cho thấy ứng suất nén trên bề mặt đối với 158Q, trong khi 16MnCr5 thể hiện ứng suất kéo. Phân tích fractal cho thấy các vết nứt ở 158Q bắt đầu ở bề mặt do độ nhám bề mặt, trong khi ở 16MnCr5, các vết nứt thường liên quan đến tạp chất và sự thoái hóa bề mặt. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của tình trạng bề mặt và trạng thái ứng suất dư trong hiệu suất mỏi, đặc biệt là trong các hình học mà quá trình xử lý hậu kỳ bị hạn chế hoặc không thực tế (Tham khảo{14}}). Trong tài liệu kỹ thuật AGMA (Aylott và cộng sự, 2024), 158Q đã được thử nghiệm trong các điều kiện bề mặt khác nhau, được cacbon hóa, bắn mài, mài và trong các kết hợp khác nhau của chúng (Tham khảo. 6). Nó luôn hoạt động tốt hơn 20MnCr5, ngay cả khi chất sau được mài hoặc mài bằng bắn hai mặt, xem Bảng 5. Trong khi các quá trình xử lý sau{24}}cải thiện hiệu suất hơn nữa, mức tăng tương đối nhỏ, cho thấy rằng các đặc tính được cacbon hóa đã đạt đến mức thường được mong đợi sau khi mài bằng bắn, xem Hình 3.

Nghiên cứu cũng lưu ý rằng độ lệch chuẩn về độ bền mỏi tăng lên đối với biến thể 158Q khi áp dụng các biện pháp xử lý bổ sung, cho thấy rằng các quá trình này đã tạo ra sự biến đổi không có trong điều kiện-được cacbon hóa. Tính nhất quán về hiệu suất này đặc biệt có giá trị trong môi trường sản xuất nơi độ ổn định của quy trình là rất quan trọng. Bài viết AGMA cung cấp sự so sánh toàn diện trên nhiều điều kiện bề mặt, củng cố độ chắc chắn của 158Q và tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng mà việc-xử lý sau là không thực tế hoặc không mong muốn (Tham khảo. 6). Những lợi ích chính và các ứng dụng có thể có của 158Q sau{9}}Phản ứng điều trị Các kết quả thử nghiệm đã cho thấy một cách nhất quán rằng 158Q thể hiện độ bền mỏi cao trong điều kiện-được cacbon hóa, làm giảm nhu cầu về các quy trình sau{12}}xử lý chẳng hạn như mài hoặc mài. Mặc dù việc bắn súng có thể mang lại những cải tiến khiêm tốn, nhưng mức tăng thường bị hạn chế và trong một số trường hợp, hiệu suất bị giảm, đặc biệt là với việc bắn súng kép. Điều này có thể là do{15}hiệu ứng mài mòn quá mức, giảm ứng suất hoặc gây ra hư hỏng bề mặt. Độ cứng bề mặt cao và cấu trúc martensitic sạch của hợp kim hạn chế hiệu quả của các phương pháp xử lý dựa trên biến dạng dẻo. Ngoài ra, độ nhám bề mặt tăng lên hoặc tính biến đổi do quá trình xử lý sau{19}}gây ra có thể bù đắp những lợi ích tiềm năng. Dữ liệu từ thử nghiệm AGMA (Tham khảo{21}}) cũng chỉ ra rằng các mẫu sau{22}}được xử lý có độ phân tán độ mỏi cao hơn, cho thấy tính nhất quán của quy trình giảm. Những phát hiện này nhấn mạnh rằng điều kiện bề mặt của 158Q đã gần tối ưu và việc xử lý sau đó cần được đánh giá cẩn thận hoặc có khả năng bị loại bỏ. Giải quyết các thách thức của việc mài khó{27}}để{28}}nghiền các bánh răng nhỏ và mài thường là quy trình hoàn thiện mong muốn đối với các bánh răng yêu cầu độ chính xác về kích thước, chất lượng bề mặt và hình dạng răng của bánh răng chính xác. Tuy nhiên, nó trở nên đặc biệt khó khăn khi xử lý các hình dạng phức tạp và dung sai chặt chẽ. Các yếu tố ảnh hưởng như khả năng tiếp cận công cụ hạn chế, nguy cơ hư hỏng do nhiệt và nhu cầu về máy móc chuyên dụng thường làm phức tạp quá trình. Bánh răng hypoid, bánh răng bên trong và bánh răng mô-đun{32}}nhỏ thường có khả năng tiếp cận công cụ hạn chế, khiến việc mài toàn bộ biên dạng trở nên cực kỳ khó khăn hoặc hoàn toàn không khả thi. Mài toàn bộ biên dạng thường được sử dụng khi có nhu cầu nâng cao hơn nữa hiệu suất của bánh răng. Đây là thách thức trên các bánh răng được đề cập ở trên. Và trong những trường hợp như vậy, vật liệu phải mang lại tính toàn vẹn bề mặt cuối cùng ngay sau khi xử lý nhiệt. Điều này khiến 158Q đặc biệt phù hợp-với các loại thiết bị mà các phương pháp hoàn thiện truyền thống không khả thi. Bắn mài là một phương pháp xử lý bề mặt được sử dụng rộng rãi để tăng cường độ bền mỏi bằng cách tạo ra ứng suất dư nén. Tuy nhiên, hiệu quả của nó giảm đi đáng kể khi áp dụng cho các bánh răng nhỏ có chân răng hẹp và hình học phức tạp. Những tính năng này khó tiếp cận bằng thiết bị xử lý thông thường, khiến việc đạt được phạm vi bao phủ đồng đều ở các vùng chịu áp lực quan trọng trở nên khó khăn. Để tránh làm hỏng các bề mặt mỏng manh, phải sử dụng các hạt bắn nhỏ hơn, nhưng chúng mang ít động năng hơn và có thể không truyền đủ ứng suất nén trừ khi được áp dụng ở vận tốc cao hơn, gây ra sự phức tạp và biến đổi hơn nữa trong quá trình. Hạn chế này đặc biệt có liên quan trong các hệ thống truyền động ô tô và điện khí hóa hiện đại, nơi phổ biến các bánh răng nhỏ gọn,{45}}có độ chính xác cao. Đối với các ứng dụng như vậy, các vật liệu như 158Q mang lại hiệu suất mỏi cao mà không cần phụ thuộc vào-xử lý sau, mang lại giải pháp mạnh mẽ hơn và{49}hiệu quả hơn về mặt chi phí. Thu hẹp khoảng cách giữa chế hòa khí và chế hòa khí áp suất thấp{51}}LPC được công nhận rộng rãi nhờ khả năng tạo ra các bề mặt cứng, vỏ đồng nhất-với quá trình oxy hóa tối thiểu. Hoạt động trong môi trường được kiểm soát{54}}chân không, LPC loại bỏ quá trình oxy hóa giữa các hạt thường liên quan đến quá trình cacbon hóa khí truyền thống, mang lại chất lượng bề mặt vượt trội và hiệu suất mỏi. Tuy nhiên, việc áp dụng LPC thường bị hạn chế do vốn đầu tư cao, yêu cầu thiết bị chuyên dụng và nhu cầu chuyên môn về kiểm soát quy trình tiên tiến. Đối với nhiều công ty, đặc biệt là những công ty đã có cơ sở hạ tầng chế hòa khí bằng khí đốt, việc chuyển đổi sang LPC có thể tốn kém và gây gián đoạn hoạt động. Trong bối cảnh này, 158Q mang đến một giải pháp thay thế hấp dẫn vì nó đạt được bề mặt sạch,{59}}chống oxy hóa ngay cả trong điều kiện cacbon hóa khí quyển tiêu chuẩn mà không cần phải đại tu các dây chuyền xử lý nhiệt hiện có. Do đó, 158Q cung cấp một lộ trình thực tế,{62}}chi phí thấp hơn nhằm nâng cao hiệu suất thiết bị và tính bền vững cho các công ty đang tìm cách thu hẹp khoảng cách giữa chế tạo cacbon thông thường và LPC. Tính bền vững thông qua việc tối ưu hóa quy trình{64}}các bước xử lý sau như phun bi và mài chân răng sẽ tiêu tốn năng lượng, tạo ra chất thải và tăng lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất bánh răng. Ngược lại, 158Q đạt được độ bền mỏi cao trong điều kiện-được cacbon hóa, loại bỏ nhu cầu thực hiện các phương pháp xử lý chuyên sâu{68}}năng lượng này. Ngoài việc giảm các bước xử lý, 158Q còn cho phép thiết kế các thành phần nhỏ gọn hơn và tiết kiệm vật liệu-. Khả năng chịu được tải trọng cao hơn cho phép thiết kế nhỏ hơn, giảm mức tiêu thụ thép tổng thể cho từng bộ phận. Trong các ứng dụng có khối lượng lớn, ngay cả việc giảm kích thước khiêm tốn cũng có thể dẫn đến mức tiết kiệm tích lũy đáng kể về nguyên liệu thô, năng lượng và khí thải. Những lợi ích này phù hợp với các mục tiêu bền vững rộng hơn và hỗ trợ hoạt động sản xuất có trách nhiệm hơn với môi trường trong suốt vòng đời sản phẩm. Hiệu quả chi phí và đơn giản hóa sản xuất Khả năng 158Q đạt được độ bền mỏi cao trong điều kiện được cacbon hóa giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và hiệu quả sản xuất. Bằng cách loại bỏ các bước xử lý sau, nhà sản xuất có thể giảm bớt nhân công, nhu cầu sử dụng thiết bị và bảo trì. Việc hợp lý hóa này rút ngắn chu kỳ sản xuất, giảm chi phí chung và tăng sản lượng. Việc tránh các quy trình mài mòn cũng giúp giảm hao mòn dụng cụ và chi phí tiêu hao, đồng thời giảm thiểu tắc nghẽn quy trình, đặc biệt là trong môi trường{82}}khối lượng cao, nơi các hoạt động như mài gốc có thể tốn thời gian. Quy trình làm việc được đơn giản hóa giúp cải thiện tính linh hoạt trong việc lập kế hoạch và giảm lượng tồn kho-đang thực hiện{86}}công việc, cho phép nhà sản xuất đạt được mục tiêu hiệu suất với chi phí thấp hơn và ít bước xử lý hơn. Kết luận Hợp kim mới 20NiMo9{91}}7* (Ovako 158Q) là loại thép cacbon hóa được thiết kế để giảm thiểu quá trình oxy hóa giữa các hạt và loại bỏ nhu cầu về các quy trình xử lý sau{98}}chẳng hạn như mài và mài bắn. Thông qua việc xem xét nhiều nghiên cứu thực nghiệm, 158Q đã liên tục chứng tỏ hiệu suất mỏi vượt trội so với các loại thép thông thường như 20MnCr5 và 16MnCr5, ngay cả trong điều kiện{103}như được cacbon hóa. Những phát hiện chính bao gồm: Độ bền mỏi cao hơn tới 48% so với 16MnCr5 trong điều kiện{104}được cacbon hóa. Hiệu suất có thể so sánh hoặc vượt trội so với 20MnCr5 được phun hoặc nghiền mà không cần các bước bổ sung này. 158Q mang lại tiềm năng đáng kể để hợp lý hóa việc sản xuất bánh răng bằng cách giảm độ phức tạp, chi phí và tác động đến môi trường. Đặc tính đẳng hướng và tính toàn vẹn bề mặt cao của nó làm cho nó đặc biệt thích hợp cho các hình dạng bánh răng nhỏ hoặc phức tạp mà các phương pháp hoàn thiện truyền thống là không thực tế. Cuối cùng, 158Q đưa ra một lộ trình hấp dẫn hướng tới sản xuất thiết bị hiệu quả, đáng tin cậy và bền vững hơn trong ngành công nghiệp ô tô và hơn thế nữa.