El canvi cap a l'electrificació, combinat amb la demanda d'una major eficiència energètica, significa que la indústria de l'automoció està vivint un període de profunda transformació. En particular, la creixent adopció dels trens de propulsió elèctrics requereix que els engranatges compleixin els requisits creixents de capacitat de parell, durabilitat i NVH (soroll, vibració i duresa), alhora que admeten una fabricació més sostenible i-eficaç. Històricament, els acers de cementació convencionals com el 20MnCr5 han tingut èxit en aplicacions d'engranatges. No obstant això, solen requerir processos posteriors al-tractament, inclòs el granallat per aconseguir el rendiment de fatiga requerit i la mòlta de l'arrel de les dents per augmentar encara més. Aquests passos addicionals afegeixen complexitat i cost. En aquest context, Ovako ha investigat l'aplicació d'un disseny d'aliatge innovador per minimitzar l'oxidació intergranular i eliminar la necessitat de post-tractament. El resultat d'aquest programa és 20NiMo9-7 (Ovako 158Q) que ofereix un camí potencial cap a una fabricació d'engranatges més eficient, fiable i sostenible. Per què la carburació amb gas és un problema Durant la carburació amb gas de l'acer, hi ha una pressió parcial baixa d'oxigen. En aquestes condicions, els elements d'aliatge amb una forta afinitat termodinàmica per l'oxigen, com el silici, el crom i el manganès, tendeixen a patir una oxidació selectiva que es propaga al llarg dels límits de gra. Això dóna lloc al creixement interior de les fases d'òxid des de la superfície al substrat d'acer, sovint anomenada oxidació intergranular (IGO) (Ref. 1). Això condueix a un esgotament localitzat dels elements d'aliatge al voltant dels òxids formats, amb una reducció resultant de la tempabilitat en aquestes regions. Quan l'acer s'apaga, aquesta reducció de la tempabilitat augmenta la probabilitat de formar microestructures no martensítiques a les zones afectades, vegeu la figura 1.

A més, la temprabilitat reduïda a prop de la superfície significa que la transformació de la capa superficial es produeix abans que en el cas subjacent durant l'extinció. A mesura que les regions més profundes del cas es transformen posteriorment martensíticament, acompanyades d'expansió volumètrica, s'introdueixen tensions residuals de tracció a la superfície.

L'efecte net de l'òxid i de l'estructura superficial de baixa -resistència, en combinació amb les tensions residuals de tracció, és afectar negativament el rendiment de fatiga i augmentar la susceptibilitat a l'inici d'esquerdes. Superació de les limitacions dels acers de carburació convencionals El programa de desenvolupament es va impulsar per la necessitat de superar les limitacions dels acers de carburació convencionals com el 20MnCr5, especialment la seva susceptibilitat a IGO i la dependència dels processos de post-tractament com ara la mòlta i el granallat per assolir les propietats mecàniques requerides. El resultat és 20NiMo9-7 (158Q), aliat amb níquel (Ni) i molibdè (Mo), elements amb baixa afinitat per l'oxigen i fortes contribucions a la templabilitat, alhora que es minimitza la presència de silici (Si), manganès (Mn) i crom (Cr) -vegeu la taula 1. Aquesta composició suprimeix completament la formació de martenes de superfície. amb altes tensions residuals de compressió, fins i tot en condicions de cementació atmosfèriques estàndard, vegeu la figura 2. A més, aquest acer es produeix mitjançant un procés de producció premium (IQ-Acer), que garanteix nivells baixos d'inclusions no metàl·liques perjudicials. Això garanteix que la neteja de l'acer no sigui el factor limitant de les propietats de fatiga.

El resultat és un acer que ofereix una alta resistència a la fatiga directament després de la cementació, reduint o eliminant la necessitat de post{0}}processament. Això fa que el 158Q sigui especialment adequat per a geometries d'engranatges complexes o petites on el rectificat o el granallat no són pràctics, oferint una ruta de fabricació simplificada,-eficaç i sostenible. Rendiment a la fatiga del 158Q El rendiment a la fatiga del 158Q s'ha avaluat en diversos estudis utilitzant diferents configuracions de prova i materials de referència. L'aliatge té una resistència a la fatiga de flexió elevada constant, especialment en condicions de carburació-, sense necessitat de processos de post-tractament. A l'informe VBC (Åslund et al., 2010), es van dur a terme proves de fatiga de flexió de dents d'engranatges a 158Q, 157Q i 16MnCr5 mitjançant equips de prova de pulsadors (Ref . 2). Els resultats van mostrar que el 158Q va aconseguir una resistència a la fatiga aproximadament un 48 per cent superior a la del 16MnCr5, vegeu la taula 2. Això es va atribuir a la seva superfície totalment martensítica, a una oxidació intergranular mínima (<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.

L'informe subratllava a més que el 158Q va aconseguir aquest rendiment mitjançant la cementació amb gas atmosfèric estàndard, sense requerir cementació a baixa-pressió (LPC) ni tractaments superficials addicionals. Això va demostrar la capacitat de l'aliatge per oferir una qualitat de superfície semblant a l'LPC- mitjançant equips convencionals. La comparació amb 157Q, que també va patir el procés de coeficient intel·lectual però va mantenir nivells més alts de Mn, Cr i Si, va posar de manifest la importància de la composició de l'aliatge per suprimir l'oxidació. Tot i que el 157Q va mostrar alguna millora respecte al 16MnCr5, no va coincidir amb el rendiment del 158Q, reforçant el paper de la resistència a l'oxidació en el comportament a la fatiga (Ref. 2). Temmel et al. (2009, 2011) van examinar el 158Q en comparació amb el 20MnCrS5, inclosos els efectes de la granallada simple i doble (Refs. 3, 4). En la condició sense granallar, 158Q va mostrar una millora del 23 per cent en la resistència a la fatiga, vegeu la taula 3. El granallat simple va proporcionar un augment addicional modest, mentre que el granallat doble no va produir més beneficis i, en alguns casos, fins i tot va reduir el rendiment, probablement a causa de l'excediment del rendiment inicial i la seva limitada sensibilitat als tractaments de millora superficial.

L'estudi del 2011 també va explorar els perfils d'estrès residual introduïts pel granat i va trobar que el doble granat reduïa l'estrès de compressió superficial, probablement a causa de la relaxació de l'estrès o del dany superficial. Això va suggerir que la condició de la superfície de 158Q després de la cementació no presentava cap oxidació significativa del límit del gra ni una estructura no-martensítica. Per tant, cal ajustar acuradament tractaments addicionals per evitar el deteriorament de les propietats. Aquestes troballes van donar suport a la idea que el 158Q es podria fabricar sense post-processament addicional (Ref. 4). Borg (2008) va avaluar el rendiment a la fatiga de 158Q i 16MnCr5 mitjançant proves de flexió rotativa en mostres dentades, tant en condicions de-carburació com de granalla-(Ref{. 5){. 158Q va mostrar el límit de fatiga més alt en l'estat de carburació}, comparant-se}95{18} a 811 MPa per a 16MnCr5, vegeu la taula 4. Les proves es van dissenyar per simular les condicions de l'arrel de l'engranatge.

Els resultats de les proves van demostrar que el 158Q podria assolir una gran resistència a la fatiga sense necessitat de tractaments superficials. 16MnCr5 va mostrar una oxidació interna més profunda i la presència de productes de transformació no-martensítics a prop de la superfície, que van afectar negativament la seva resistència a la fatiga. Les mesures de tensió residual van mostrar tensions de compressió a la superfície per a 158Q, mentre que 16MnCr5 va mostrar tensions de tracció. L'anàlisi fractogràfica va revelar que les esquerdes del 158Q es van iniciar a la superfície a causa de la rugositat de la superfície, mentre que en el 16MnCr5, les esquerdes es van associar sovint amb inclusions i degradació superficial. L'estudi va destacar la importància de l'estat de la superfície i l'estat de tensió residual en el rendiment de la fatiga, especialment en geometries on el post-processament és limitat o poc pràctic (Ref. 5). Al document tècnic de l'AGMA (Aylott et al., 2024), el 158Q es va provar en diverses condicions de superfície, carburat, granallat, mòlt i en diferents combinacions (Ref. 6). Va superar constantment el 20MnCr5, fins i tot quan aquest últim va ser sotmès a granallat o mòlta dúplex, vegeu la Taula 5. Tot i que els post{24}}tractaments van millorar encara més el rendiment, els guanys van ser relativament petits, cosa que indica que les propietats com-carburitzades ja estaven aconseguint el nivell que normalment s'esperava després del granallat, vegeu la figura 3.

L'estudi també va assenyalar que la desviació estàndard de la resistència a la fatiga va augmentar per a la variant 158Q quan es van aplicar tractaments addicionals, cosa que suggereix que aquests processos van introduir una variabilitat que no estava present en la condició de carburació-. Aquesta consistència en el rendiment és especialment valuosa en entorns de producció on l'estabilitat del procés és crítica. El document de l'AGMA ofereix una comparació completa entre diverses condicions de superfície, reforçant la robustesa del 158Q i la seva idoneïtat per a aplicacions on el post-tractament és poc pràctic o no desitjable (Ref. 6). Beneficis clau i possibles aplicacions de la resposta posterior al-tractament 158Q Els resultats experimentals han demostrat constantment que el 158Q presenta una gran resistència a la fatiga en condicions de-carburació, reduint la necessitat de processos de post-tractament com ara el granallat o la mòlta. Tot i que el granallat pot aportar millores modestes, els guanys sovint són limitats i, en alguns casos, el rendiment es redueix, especialment amb el granallat doble. Això pot ser degut a efectes-de granallament excessiu, relaxació de l'estrès o danys superficials induïts. L'alta duresa superficial de l'aliatge i l'estructura martensítica neta limiten l'eficàcia dels tractaments basats en la deformació plàstica{17}. A més, l'augment de la rugositat o la variabilitat de la superfície introduïda pel postprocessament pot compensar els possibles beneficis. Les dades de les proves AGMA (Ref. 5) també indiquen que les mostres post-tractades van mostrar una dispersió més gran de la resistència a la fatiga, cosa que suggereix una consistència reduïda del procés. Aquestes troballes subratllen que l'estat de la superfície de 158Q ja és gairebé òptim i que el post{25}}tractament s'hauria d'avaluar acuradament o possiblement eliminar-lo. Abordar els reptes d'engranatges durs--de rectificar i d'engranatges petits La mòlta és sovint el procés d'acabat desitjat per a engranatges que requereixen precisió dimensional, qualitat superficial i geometria correcta de les dents de l'engranatge. Tanmateix, esdevé particularment difícil quan es tracta de formes complexes i toleràncies ajustades. Factors que influeixen, com ara l'accés limitat a les eines, el risc de danys tèrmics i la necessitat de maquinària especialitzada sovint compliquen el procés. Els engranatges hipoides, els engranatges interns i els engranatges de petits-mòduls sovint presenten un accés limitat a les eines, la qual cosa fa que el rectificat de perfil complet-és extremadament difícil o totalment inviable. El rectificat de perfil complet s'utilitza sovint quan cal millorar encara més el rendiment de l'engranatge. Això és un repte per als engranatges esmentats anteriorment. I en aquests casos, els materials han de proporcionar la integritat de la superfície final directament després del tractament tèrmic. Això fa que 158Q sigui especialment adequat-per a tipus d'engranatges on els mètodes d'acabat tradicionals no són viables. El granallat és un tractament de superfície àmpliament utilitzat per millorar la resistència a la fatiga mitjançant la introducció de tensions residuals de compressió. Tanmateix, la seva eficàcia disminueix significativament quan s'aplica a engranatges petits amb arrels dentàries estretes i geometries complexes. Aquestes característiques són difícils d'accedir amb l'equip de granallat convencional, cosa que dificulta aconseguir una cobertura uniforme a les regions d'estrès crítiques. Per evitar danyar superfícies delicades, s'han d'utilitzar partícules de tir més petites, però porten menys energia cinètica i poden no impartir suficient esforç de compressió tret que s'apliquen a velocitats més altes, introduint més complexitat i variabilitat en el procés. Aquesta limitació és especialment rellevant en els sistemes de transmissió electrificats i d'automoció moderns, on els engranatges compactes i d'alta-precisió són habituals. Per a aquestes aplicacions, materials com el 158Q, que ofereixen un alt rendiment de fatiga sense dependre del post-tractament, ofereixen una solució més robusta i rendible-. Reduint la bretxa entre la carburació i la carburació LPC La carburació a baixa-pressió és àmpliament reconeguda per la seva capacitat de produir superfícies endurides de carcassa-netes i uniformes amb una oxidació mínima. Funcionant en un entorn controlat al buit-, LPC elimina l'oxidació intergranular que normalment s'associa amb la cementació de gas tradicional, donant com a resultat una qualitat de superfície i un rendiment de fatiga superiors. No obstant això, l'adopció de LPC sovint està limitada per l'alta inversió de capital, els requisits d'equips especialitzats i la necessitat d'una experiència avançada en control de processos. Per a moltes empreses, especialment aquelles amb una infraestructura de carburació de gas establerta, la transició a LPC pot ser costosa i pertorbadora operativament. En aquest context, 158Q ofereix una alternativa convincent, ja que aconsegueix una superfície neta i resistent a l'oxidació-fins i tot en condicions de cementació atmosfèrica estàndard, sense necessitat de revisar les línies de tractament tèrmic existents. Per tant, 158Q ofereix una via pràctica i de menor cost-per millorar el rendiment i la sostenibilitat dels engranatges per a les empreses que busquen salvar la bretxa entre la cementació convencional i la LPC. Sostenibilitat mitjançant l'optimització de processos Els passos posteriors al-tractament, com ara el granallat i la mòlta d'arrel, consumeixen energia, generen residus i augmenten la petjada de carboni de la producció d'engranatges. En canvi, el 158Q aconsegueix una gran resistència a la fatiga en condicions de-carburació, eliminant la necessitat d'aquests tractaments-intensius d'energia. Més enllà de reduir els passos de processament, el 158Q permet dissenys de components més compactes i-eficients en el material. La seva capacitat de suportar càrregues més altes permet dissenys més petits, reduint el consum total d'acer per a cada component. En aplicacions de gran-volum, fins i tot les reduccions de mida modestes poden comportar un estalvi acumulat significatiu en matèria primera, energia i emissions. Aquests beneficis s'alineen amb objectius de sostenibilitat més amplis i donen suport a una fabricació més responsable amb el medi ambient al llarg del cicle de vida del producte. Eficàcia de costos i simplificació de la fabricació La capacitat del 158Q d'aconseguir una gran resistència a la fatiga en condicions de-carburació permet un estalvi de costos i una eficiència de producció significatius. En eliminar els-passos posteriors al tractament, els fabricants poden reduir la mà d'obra, l'ús d'equips i les demandes de manteniment. Aquesta racionalització escurça els cicles de producció, redueix les despeses generals i augmenta el rendiment. Evitar els processos abrasius també redueix el desgast de les eines i els costos dels consumibles, alhora que minimitza els colls d'ampolla dels processos, especialment en entorns-de gran volum on operacions com la mòlta d'arrel poden consumir-temps. El flux de treball simplificat millora la flexibilitat de la programació i redueix el treball-en-inventari en curs, permetent als fabricants assolir els objectius de rendiment a un cost més baix i amb menys passos de processament. Conclusió Un nou aliatge 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) és un acer de cementació dissenyat per minimitzar l'oxidació intergranular i eliminar la necessitat de processos de post-tractament com ara el granallat i la mòlta. A través d'una revisió de diversos estudis experimentals, el 158Q ha demostrat constantment un rendiment de fatiga superior en comparació amb els acers convencionals com el 20MnCr5 i el 16MnCr5, fins i tot en condicions de carburació. Les troballes clau inclouen: fins a un 48 per cent més de resistència a la fatiga que el 16MnCr5 en condicions de carburació. Rendiment comparable o superior al 20MnCr5 granallat o mòlt sense aquests passos addicionals, el 158Q ofereix un potencial important per racionalitzar la fabricació d'engranatges reduint la complexitat, el cost i l'impacte ambiental. Les seves propietats isòtropes i l'alta integritat superficial el fan especialment adequat per a geometries d'engranatges complexes o petites on els mètodes d'acabat tradicionals no són pràctics. En definitiva, 158Q ofereix un camí convincent cap a una producció d'engranatges més eficient, fiable i sostenible a la indústria de l'automòbil i més enllà.