تغییر به سمت الکتریکی سازی، همراه با تقاضا برای بهره وری بیشتر انرژی، به این معنی است که صنعت خودرو در حال گذراندن دوره ای از تحول عمیق است. به طور خاص، جذب فزاینده پیشرانه‌های الکتریکی نیاز به دنده‌ها برای برآورده کردن نیازهای فزاینده برای ظرفیت گشتاور، دوام و NVH (صدا، لرزش و سختی) دارد، در حالی که از تولید پایدارتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر پشتیبانی می‌کند. از نظر تاریخی، فولادهای کربورکننده معمولی مانند 20MnCr5 در کاربردهای دنده موفق بوده اند. با این حال، آنها معمولاً به مراحل{6} پس از درمان، از جمله شات پینینگ برای دستیابی به عملکرد خستگی مورد نیاز، و ساییدن ریشه دندان برای تقویت بیشتر نیاز دارند. این مراحل اضافی پیچیدگی و هزینه را اضافه می کند. در این زمینه، Ovako کاربرد طراحی آلیاژی نوآورانه را برای به حداقل رساندن اکسیداسیون بین دانه‌ای و رفع نیاز به تصفیه پس- بررسی کرده است. نتیجه این برنامه 20NiMo9-7 (Ovako 158Q) است که مسیری بالقوه برای تولید دنده کارآمدتر، قابل اعتمادتر و پایدار ارائه می‌دهد. چرا کربن‌سازی گاز مشکل‌ساز است در طول کربن‌سازی فولاد با گاز، فشار جزئی کم اکسیژن وجود دارد. در این شرایط، عناصر آلیاژی با میل ترکیبی ترمودینامیکی قوی برای اکسیژن، مانند سیلیکون، کروم و منگنز، تمایل به اکسیداسیون انتخابی دارند که در امتداد مرزهای دانه منتشر می شود. این منجر به رشد درونی فازهای اکسیدی از سطح به زیرلایه فولادی می شود که اغلب به آن اکسیداسیون بین دانه ای (IGO) می گویند (Ref{17}}). این منجر به تخلیه موضعی عناصر آلیاژی در مجاورت اکسیدهای تشکیل شده و در نتیجه کاهش سختی پذیری در این مناطق می شود. هنگامی که فولاد خاموش می شود، این کاهش سختی پذیری احتمال تشکیل ریزساختارهای غیر مارتنزیتی در مناطق آسیب دیده را افزایش می دهد، به شکل 1 مراجعه کنید.

علاوه بر این، کاهش سختی پذیری در نزدیکی سطح به این معنی است که تغییر شکل لایه سطحی زودتر از حالت زیرین در هنگام کوئنچ رخ می دهد. همانطور که مناطق عمیق‌تر کیس متعاقباً به صورت مارتنزیتی تبدیل می‌شوند، همراه با انبساط حجمی، تنش‌های پسماند کششی در سطح وارد می‌شوند.

اثر خالص اکسید و ساختار سطحی با استحکام پایین، در ترکیب با تنش‌های پسماند کششی، تأثیر منفی بر عملکرد خستگی و افزایش حساسیت به شروع ترک دارد. غلبه بر محدودیت‌های فولادهای کربورسازی معمولی برنامه توسعه به دلیل نیاز به غلبه بر محدودیت‌های فولادهای کربورسازی معمولی مانند 20MnCr5، به‌ویژه حساسیت آن‌ها به IGO و تکیه بر فرآیندهای{4} پس از درمان مانند سنگ‌زنی و شات‌زنی برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نیازشان انجام شد. نتیجه 20NiMo9-7 (158Q)، آلیاژ شده با نیکل (Ni) و مولیبدن (Mo)، عناصر با میل ترکیبی کم اکسیژن و سهم سخت‌شدگی قوی است، در حالی که حضور سیلیکون (Si)، منگنز (Mn) و کروم (Cr) را به حداقل می‌رساند{12}. تشکیل یک لایه سطحی کاملاً مارتنزیتی با تنش‌های پسماند فشاری بالا، حتی در شرایط استاندارد کربن‌سازی اتمسفر، به شکل 2 مراجعه کنید. این تضمین می کند که تمیزی فولاد عامل محدود کننده خواص خستگی نیست.

نتیجه فولادی است که استحکام خستگی بالایی را مستقیماً پس از کربوه کردن، کاهش یا حذف نیاز به پردازش پس از- ارائه می‌کند. این باعث می‌شود 158Q مخصوصاً برای هندسه‌های دنده‌های پیچیده یا کوچک که در آن سنگ‌زنی یا شات‌زنی غیرعملی است، مناسب باشد، و یک مسیر تولید ساده، مقرون‌به‌صرفه و پایدار را ارائه می‌دهد. عملکرد خستگی 158Q عملکرد خستگی 158Q در چندین مطالعه با استفاده از تنظیمات مختلف تست و مواد مرجع ارزیابی شده است. این آلیاژ دارای استحکام خستگی خمشی بالایی است، به ویژه در شرایط{8}}کربوریزه شده، بدون نیاز به فرآیندهای تصفیه پس از{9}}. در گزارش VBC (Åslund و همکاران، 2010)، آزمایش‌های خستگی خمش دندان دنده بر روی 158Q، 157Q و 16MnCr5 با استفاده از دستگاه‌های تست ضربان‌دار انجام شد (Ref{17}}). نتایج نشان داد که 158Q به استحکام خستگی تقریباً 48 درصد بیشتر از 16MnCr5 دست یافت، جدول 2 را ببینید. این به سطح کاملاً مارتنزیتی آن، حداقل اکسیداسیون بین دانه ای نسبت داده شد<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.

این گزارش همچنین تاکید کرد که 158Q این عملکرد را با استفاده از کربن‌سازی استاندارد گاز اتمسفر، بدون نیاز به کربن‌سازی با فشار پایین (LPC) یا درمان‌های سطحی اضافی، به دست آورد. این نشان دهنده توانایی آلیاژ برای ارائه کیفیت سطح LPC{3}}با استفاده از تجهیزات معمولی است. مقایسه با 157Q، که همچنین تحت فرآیند IQ قرار گرفت اما سطوح بالاتری از منگنز، کروم و سی را حفظ کرد، اهمیت ترکیب آلیاژ را در سرکوب اکسیداسیون برجسته کرد. در حالی که 157Q نسبت به 16MnCr5 مقداری بهبود نشان داد، با عملکرد 158Q مطابقت نداشت و نقش مقاومت در برابر اکسیداسیون را در رفتار خستگی تقویت می‌کند (Ref{11}}). تممل و همکاران (2009، 2011) 158Q را در مقایسه با 20MnCrS5 مورد بررسی قرار دادند، از جمله اثرات ضربه زدن تک و دو شات (Refs{19}}، 4). در شرایط بدون فشار، 158Q بهبود 23 درصدی را در قدرت خستگی نشان داد، به جدول 3 مراجعه کنید. لایه برداری یکباره افزایش کمی ایجاد کرد، در حالی که لایه برداری مضاعف مزایای بیشتری به همراه نداشت و در برخی موارد حتی عملکرد را کاهش داد، احتمالاً به دلیل عملکرد بیش از حد پایه و حساسیت محدود آن به درمان های افزایش سطح.

مطالعه سال 2011 همچنین پروفایل های استرس پسماند معرفی شده توسط پینینگ را مورد بررسی قرار داد و دریافت که لایه برداری مضاعف تنش فشاری سطح را کاهش می دهد، احتمالاً به دلیل شل شدن استرس یا آسیب سطح. این نشان می‌دهد که وضعیت سطح 158Q پس از کربورسازی هیچ گونه اکسیداسیون مرزی دانه یا ساختار غیرمارتنزیتی قابل توجهی را نشان نمی‌دهد. بنابراین، درمان های اضافی باید به دقت تنظیم شوند تا از تخریب خواص جلوگیری شود. این یافته‌ها از این ایده پشتیبانی می‌کنند که 158Q می‌تواند بدون پردازش پست اضافی (Ref. 4) ​​تولید شود. بورگ (2008) عملکرد خستگی 158Q و 16MnCr5 را با استفاده از تست‌های خمش چرخشی بر روی نمونه‌های بریده‌دار ارزیابی کرد، هم در شرایط{14}}کربوردار و هم در شرایط شلیک شده{15}}(مرجع{16}}). 158Q در بالاترین حالت فرسودگی{17}، Q در بالاترین حالت فرسودگی{14} محدود شده است. 985 مگاپاسکال، در مقایسه با 811 مگاپاسکال برای 16MnCr5، جدول 4 را ببینید. آزمایش ها برای شبیه سازی شرایط ریشه دنده طراحی شده اند.

نتایج آزمایش نشان داد که 158Q می‌تواند بدون نیاز به تیمارهای سطحی به مقاومت خستگی بالایی دست یابد. 16MnCr5 اکسیداسیون داخلی عمیق‌تری و حضور محصولات تبدیل مارتنزیتی غیر{3}}در نزدیکی سطح را نشان داد که بر قدرت خستگی آنها تأثیر منفی گذاشت. اندازه گیری تنش پسماند تنش های فشاری را در سطح برای 158Q نشان داد، در حالی که 16MnCr5 تنش های کششی را نشان داد. تجزیه و تحلیل فراکتوگرافی نشان داد که ترک ها در 158Q در سطح به دلیل زبری سطح شروع می شوند، در حالی که در 16MnCr5، ترک ها اغلب با آخال ها و تخریب سطح همراه بودند. این مطالعه اهمیت وضعیت سطح و وضعیت تنش پسماند را در عملکرد خستگی، به‌ویژه در هندسه‌هایی که پردازش پس از آن محدود یا غیرعملی است، برجسته کرد (مراجعه{14}}). در مقاله فنی AGMA (Aylott et al., 2024)، 158Q تحت شرایط سطحی مختلف، کربوریزه، شات شده، زمین و در ترکیب‌های مختلف آنها آزمایش شد (Ref{19}}). این به طور مداوم از 20MnCr5 بهتر بود، حتی زمانی که دومی در معرض ضربه زدن یا سنگ زنی دوبلکس قرار می گرفت، جدول 5 را ببینید. در حالی که درمان های پس از{24} عملکرد را بیشتر بهبود بخشیدند، دستاوردها نسبتاً اندک بود، که نشان می دهد خواص{25}}کربوردار شده قبلاً به سطحی رسیده بودند که معمولاً پس از عکس برداری مورد انتظار بود.

این مطالعه همچنین خاطرنشان کرد که انحراف استاندارد در قدرت خستگی برای نوع 158Q با اعمال درمان‌های اضافی افزایش یافته است، که نشان می‌دهد این فرآیندها تنوعی را ارائه می‌کنند که در شرایط{1}}کربوردار وجود ندارد. این ثبات در عملکرد به ویژه در محیط‌های تولیدی که ثبات فرآیند در آن حیاتی است، ارزشمند است. مقاله AGMA مقایسه جامعی را در شرایط چند سطحی ارائه می‌کند و استحکام 158Q و مناسب بودن آن را برای کاربردهایی که در آن‌ها{5}}درمان پس از عمل غیرعملی یا نامطلوب است، تقویت می‌کند (Ref. 6). مزایای کلیدی و کاربردهای احتمالی 158Q Post{9}}نتایج آزمایشی پاسخ درمانی به طور مداوم نشان داده است که 158Q در شرایط{11}کربوردار، قدرت خستگی بالایی از خود نشان می‌دهد و نیاز به فرآیندهای درمان پس از{12}} مانند ضربه زدن به گلوله را کاهش می‌دهد. در حالی که شات پینینگ می‌تواند پیشرفت‌های متوسطی را به همراه داشته باشد، دستاوردها اغلب محدود است و در برخی موارد، عملکرد کاهش می‌یابد، به‌ویژه با شات دوتایی. این ممکن است به دلیل{15}اثرات نازک شدن بیش از حد، آرامش استرس، یا آسیب های سطحی باشد. سختی سطح بالای آلیاژ و ساختار مارتنزیتی تمیز، اثربخشی درمان‌های مبتنی بر تغییر شکل{17}}را محدود می‌کند. علاوه بر این، افزایش ناهمواری یا تغییرپذیری سطح که توسط پردازش پس از{19}} ارائه می‌شود، می‌تواند مزایای بالقوه را جبران کند. داده‌های آزمایش AGMA (Ref. 5) همچنین نشان می‌دهد که نمونه‌های پس از-درمان شده پراکندگی بالاتری در استحکام خستگی نشان دادند که نشان‌دهنده کاهش ثبات فرآیند است. این یافته‌ها تأکید می‌کنند که وضعیت سطح 158Q در حال حاضر تقریباً بهینه است و درمان پس از{25} باید به دقت ارزیابی شود یا به طور بالقوه حذف شود. پرداختن به چالش‌های-سخت تا-ساب‌زنی و چرخ دنده‌های کوچک، اغلب فرآیند تکمیل مطلوب برای چرخ دنده‌هایی است که به دقت ابعادی، کیفیت سطح و هندسه صحیح دندانه دنده نیاز دارند. با این حال، هنگام برخورد با اشکال پیچیده و تحمل‌های سخت، چالش‌برانگیز می‌شود. عوامل تأثیرگذار مانند دسترسی محدود به ابزار، خطر آسیب حرارتی و نیاز به ماشین آلات تخصصی اغلب این فرآیند را پیچیده می کند. دنده‌های هیپووئید، چرخ‌دنده‌های داخلی، و دنده‌های ماژول کوچک اغلب دسترسی محدودی به ابزار دارند و سنگ‌زنی کامل نمایه را بسیار چالش‌برانگیز یا کاملاً غیرممکن می‌کنند. سنگ زنی کامل اغلب زمانی استفاده می شود که نیاز به افزایش بیشتر عملکرد چرخ دنده وجود دارد. این در چرخ دنده های ذکر شده در بالا چالش برانگیز است. و در چنین مواردی، مواد باید یکپارچگی سطح نهایی را مستقیماً پس از عملیات حرارتی تحویل دهند. این باعث می‌شود که 158Q به‌ویژه{39}}برای انواع دنده‌هایی که روش‌های تکمیل سنتی قابل اجرا نیستند، مناسب باشد. شات پینینگ یک درمان سطحی پرکاربرد برای افزایش استحکام خستگی با وارد کردن تنش‌های پسماند فشاری است. با این حال، اثربخشی آن هنگام استفاده از چرخ دنده های کوچک با ریشه های دندانی باریک و هندسه های پیچیده به طور قابل توجهی کاهش می یابد. دسترسی به این ویژگی‌ها با تجهیزات معمولی پینینگ دشوار است، و دستیابی به پوشش یکنواخت در مناطق بحرانی استرس را به چالش می‌کشد. برای جلوگیری از آسیب رساندن به سطوح ظریف، باید از ذرات شات کوچکتر استفاده کرد، اما انرژی جنبشی کمتری دارند و ممکن است تنش فشاری کافی ایجاد نکنند، مگر اینکه در سرعت‌های بالاتر اعمال شوند، که پیچیدگی و تنوع بیشتری را در فرآیند ایجاد می‌کند. این محدودیت به‌ویژه در سیستم‌های پیشرانه مدرن خودرو و برقی، که دنده‌های فشرده{45} و با دقت بالا رایج هستند، مرتبط است. برای چنین کاربردهایی، موادی مانند 158Q که عملکرد خستگی بالایی را بدون اتکا به درمان پست ارائه می‌کنند، راه‌حلی قوی‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر ارائه می‌دهند. پر کردن شکاف بین کربن‌سازی و کربن‌سازی با فشار پایین{51}LPC به دلیل توانایی آن در تولید سطوح تمیز و یکنواخت با کمترین اکسیداسیون شناخته شده است. LPC که در یک محیط کنترل‌شده با خلاء{54} کار می‌کند، اکسیداسیون بین دانه‌ای را که معمولاً با کربن‌سازی سنتی گاز مرتبط است، حذف می‌کند و در نتیجه کیفیت سطح و عملکرد خستگی برتر را به همراه دارد. با این حال، پذیرش LPC اغلب با سرمایه گذاری بالا، نیاز به تجهیزات تخصصی و نیاز به تخصص پیشرفته کنترل فرآیند محدود می شود. برای بسیاری از شرکت‌ها، به‌ویژه شرکت‌هایی که زیرساخت‌های کربن‌سازی گاز دارند، انتقال به LPC می‌تواند پرهزینه و از نظر عملیاتی مختل باشد. در این زمینه، 158Q جایگزین قانع‌کننده‌ای ارائه می‌کند زیرا به سطحی تمیز و مقاوم در برابر اکسیداسیون، حتی در شرایط استاندارد کربن‌سازی اتمسفر، بدون نیاز به تعمیرات اساسی خطوط عملیات حرارتی موجود، دست می‌یابد. بنابراین، 158Q یک مسیر عملی و کم‌هزینه برای بهبود عملکرد و پایداری دنده‌ها برای شرکت‌هایی که به دنبال پر کردن شکاف بین کربن‌سازی معمولی و LPC هستند، فراهم می‌کند. پایداری از طریق بهینه‌سازی فرآیند{64}مراحل درمان پس از{64}}مثل ضربه زدن و آسیاب کردن ریشه انرژی مصرف می‌کند، ضایعات تولید می‌کند و ردپای کربن تولید دنده را افزایش می‌دهد. در مقابل، 158Q به استحکام خستگی بالایی در شرایط-کربوره‌شده دست می‌یابد و نیاز به این انرژی{68}}درمان‌های فشرده را از بین می‌برد. توانایی آن در تحمل بارهای بالاتر امکان طراحی های کوچکتر را فراهم می کند و مصرف کلی فولاد را برای هر جزء کاهش می دهد. در برنامه‌های کاربردی با حجم بالا، حتی کاهش‌های کوچک اندازه می‌تواند به صرفه‌جویی انباشته قابل‌توجهی در مواد خام، انرژی و انتشار منجر شود. این مزایا با اهداف پایداری گسترده‌تر همسو می‌شوند و از تولید مسئولانه‌تر زیست‌محیطی در طول چرخه عمر محصول پشتیبانی می‌کنند. صرفه جویی در هزینه و ساده سازی ساخت توانایی 158Q برای دستیابی به استحکام خستگی بالا در شرایط{77}}کربوریزه شده، صرفه جویی قابل توجهی در هزینه و کارایی تولید می کند. با حذف مراحل بعد از{79}درمان، تولیدکنندگان می‌توانند نیروی کار، استفاده از تجهیزات و نیازهای تعمیر و نگهداری را کاهش دهند. این ساده‌سازی چرخه‌های تولید را کوتاه می‌کند، سربار را کاهش می‌دهد و توان عملیاتی را افزایش می‌دهد. اجتناب از فرآیندهای ساینده همچنین سایش ابزار و هزینه‌های مصرفی را کاهش می‌دهد، در حالی که گلوگاه‌های فرآیند را به حداقل می‌رساند، به‌ویژه در{82}محیط‌هایی با حجم بالا که عملیات‌هایی مانند آسیاب ریشه می‌تواند زمان‌بر باشد. گردش کار ساده‌شده، انعطاف‌پذیری زمان‌بندی را بهبود می‌بخشد و موجودی{85}در{86} کار در حال انجام را کاهش می‌دهد و به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد با هزینه کمتر و با مراحل پردازش کمتر به اهداف عملکرد دست یابند. نتیجه‌گیری آلیاژ جدید 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) یک فولاد کربن‌دار است که برای به حداقل رساندن اکسیداسیون بین دانه‌ای طراحی شده است و نیاز به فرآیندهای بعد از{98} درمان مانند سنگ‌زنی و آسیاب کردن را از بین می‌برد. از طریق بررسی مطالعات تجربی متعدد، 158Q به طور مداوم عملکرد خستگی بالاتری را در مقایسه با فولادهای معمولی مانند 20MnCr5 و 16MnCr5، حتی در شرایط{103}به عنوان کربوزه نشان داده است. یافته‌های کلیدی عبارتند از: تا 48 درصد استحکام خستگی بیشتر از 16MnCr5 در شرایط کربن‌دار عملکرد قابل مقایسه یا برتر با 20MnCr5 ضربه‌ای یا زمینی بدون این مراحل اضافی. خواص همسانگرد و یکپارچگی سطح بالا آن را به ویژه برای هندسه های دنده پیچیده یا کوچک که روش های تکمیل سنتی غیرعملی هستند، مناسب می کند. در نهایت، 158Q یک مسیر قانع کننده به سمت تولید دنده کارآمدتر، قابل اعتمادتر و پایدار در صنعت خودروسازی و فراتر از آن ارائه می دهد.