La transition vers l’électrification, combinée à la demande d’une plus grande efficacité énergétique, signifie que l’industrie automobile traverse une période de profonde transformation. En particulier, l'adoption croissante des transmissions électriques nécessite que les engrenages répondent aux exigences croissantes en matière de capacité de couple, de durabilité et de NVH (bruit, vibration et dureté), tout en prenant également en charge une fabrication plus durable et plus rentable. Historiquement, les aciers de carburation conventionnels comme le 20MnCr5 se sont révélés efficaces dans les applications d'engrenages. Cependant, ils nécessitent généralement des processus de post-traitement, notamment le grenaillage pour obtenir les performances de fatigue requises, et le meulage des racines des dents pour une amélioration supplémentaire. Ces étapes supplémentaires ajoutent de la complexité et des coûts. Dans ce contexte, Ovako a étudié l'application d'une conception d'alliage innovante pour minimiser l'oxydation intergranulaire et éliminer le besoin de post-traitement. Le résultat de ce programme est 20NiMo9-7 (Ovako 158Q) qui offre une voie potentielle vers une fabrication d'engrenages plus efficace, fiable et durable. Pourquoi la cémentation au gaz est un problème Lors de la cémentation au gaz de l'acier, la pression partielle d'oxygène est faible. Dans ces conditions, les éléments d'alliage ayant une forte affinité thermodynamique pour l'oxygène, tels que le silicium, le chrome et le manganèse, ont tendance à subir une oxydation sélective qui se propage le long des joints de grains. Cela entraîne la croissance vers l'intérieur de phases d'oxyde de la surface vers le substrat en acier, souvent appelée oxydation intergranulaire (IGO) (Réf . 1). Ceci conduit à un appauvrissement localisé des éléments d'alliage au voisinage des oxydes formés, avec pour conséquence une réduction de la trempabilité dans ces régions. Lorsque l'acier est trempé, cette réduction de la trempabilité augmente la probabilité de formation de microstructures non martensitiques dans les zones affectées, voir Figure 1.

De plus, la trempabilité réduite près de la surface signifie que la transformation de la couche superficielle se produit plus tôt que dans le cas sous-jacent lors de la trempe. À mesure que les régions les plus profondes du boîtier se transforment ensuite de manière martensitique, accompagnée d'une expansion volumétrique, des contraintes résiduelles de traction sont introduites à la surface.

L'effet net de l'oxyde et de la structure de surface à faible résistance, en combinaison avec les contraintes résiduelles de traction, est d'affecter négativement les performances en fatigue et d'augmenter la susceptibilité à l'initiation de fissures. Surmonter les limites des aciers de carburation conventionnels Le programme de développement a été motivé par la nécessité de surmonter les limites des aciers de carburation conventionnels comme le 20MnCr5, en particulier leur sensibilité à l'IGO et le recours à des processus de post-traitement tels que le meulage et le grenaillage pour obtenir leurs propriétés mécaniques requises. Le résultat est du 20NiMo9-7 (158Q), allié au nickel (Ni) et au molybdène (Mo), éléments à faible affinité pour l'oxygène et à fortes contributions à la trempabilité, tout en minimisant la présence de silicium (Si), de manganèse (Mn) et de chrome (Cr)-voir tableau 1. Cette composition supprime l'IGO et permet la formation d'une couche superficielle entièrement martensitique avec des contraintes résiduelles de compression élevées, même dans des conditions standard. conditions de cémentation atmosphériques, voir Figure 2. De plus, cet acier est produit via un processus de production de qualité supérieure (IQ-Acier), qui garantit de faibles niveaux d'inclusions non métalliques nuisibles. Cela garantit que la propreté de l'acier n'est pas un facteur limitant pour les propriétés de fatigue.

Le résultat est un acier qui offre une résistance élevée à la fatigue directement après la carburation, réduisant ou éliminant le besoin de post-traitement. Cela rend le 158Q particulièrement adapté aux géométries d'engrenages complexes ou petites où le meulage ou le grenaillage ne sont pas pratiques, offrant un procédé de fabrication rationalisé,-efficace et durable. Performances en fatigue du 158Q Les performances en fatigue du 158Q ont été évaluées dans plusieurs études utilisant différentes configurations de test et matériaux de référence. L'alliage présente une résistance élevée et constante à la fatigue en flexion, en particulier à l'état brut de-carburation, sans nécessiter de processus de post-traitement. Dans le rapport VBC (Åslund et al., 2010), des tests de fatigue par flexion des dents d'engrenages ont été réalisés sur 158Q, 157Q et 16MnCr5 à l'aide de bancs d'essai à pulsateurs (Réf . 2). Les résultats ont montré que le 158Q atteignait une résistance à la fatigue environ 48 pour cent supérieure à celle du 16MnCr5, voir le tableau 2. Cela a été attribué à sa surface entièrement martensitique et à une oxydation intergranulaire minimale (<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.

Le rapport souligne en outre que le 158Q a atteint ces performances en utilisant une cémentation au gaz atmosphérique standard, sans nécessiter une cémentation à basse pression (LPC) ou des traitements de surface supplémentaires. Cela a démontré la capacité de l'alliage à fournir une qualité de surface semblable au LPC-en utilisant un équipement conventionnel. La comparaison avec le 157Q, qui a également subi le processus IQ mais a conservé des niveaux plus élevés de Mn, Cr et Si, a mis en évidence l'importance de la composition de l'alliage dans la suppression de l'oxydation. Bien que le 157Q ait montré une certaine amélioration par rapport au 16MnCr5, il n'a pas égalé les performances du 158Q, renforçant le rôle de la résistance à l'oxydation dans le comportement à la fatigue (Réf. 2). Temmel et coll. (2009, 2011) ont examiné le 158Q par rapport au 20MnCrS5, y compris les effets du grenaillage simple et double (Réfs . 3, 4). À l'état non grenaillé, le 158Q a montré une amélioration de 23 pour cent de la résistance à la fatigue, voir le tableau 3. Le simple grenaillage a fourni une légère augmentation supplémentaire, tandis que le double grenaillage n'a pas apporté d'avantages supplémentaires et, dans certains cas, a même réduit les performances, probablement en raison du dépassement des performances de base et de sa sensibilité limitée aux traitements d'amélioration de surface.

L'étude de 2011 a également exploré les profils de contraintes résiduelles introduits par le grenaillage et a révélé que le double grenaillage réduisait les contraintes de compression de surface, probablement dues à la relaxation des contraintes ou aux dommages de surface. Cela suggère que l'état de surface du 158Q après carburation ne présentait aucune oxydation significative des joints de grains ni aucune structure martensitique -. Par conséquent, des traitements supplémentaires doivent être soigneusement adaptés pour éviter de détériorer les propriétés. Ces résultats soutiennent l'idée selon laquelle le 158Q pourrait être fabriqué sans post-traitement supplémentaire (Réf. 4). Borg (2008) a évalué les performances en fatigue du 158Q et du 16MnCr5 à l'aide d'essais de flexion en rotation sur des éprouvettes entaillées, à la fois dans des conditions-carburées et grenaillées- (Réf. 5). 158Q a montré la limite de fatigue la plus élevée à l'état brut-carburé, atteignant 985 MPa, contre 811 MPa pour 16MnCr5, voir tableau 4. Les tests ont été conçus pour simuler les conditions d'emplanture d'engrenage.

Les résultats des tests ont démontré que le 158Q pouvait atteindre une résistance élevée à la fatigue sans avoir besoin de traitements de surface.. 16MnCr5 a montré une oxydation interne plus profonde et la présence de produits de transformation non-martensitiques près de la surface, ce qui a affecté négativement leur résistance à la fatigue. Les mesures de contraintes résiduelles ont montré des contraintes de compression à la surface pour le 158Q, tandis que le 16MnCr5 présentait des contraintes de traction. L'analyse fractographique a révélé que les fissures dans le 158Q s'initiaient à la surface en raison de la rugosité de la surface, tandis que dans le 16MnCr5, les fissures étaient souvent associées à des inclusions et à une dégradation de la surface. L'étude a souligné l'importance de l'état de surface et de l'état de contrainte résiduelle dans les performances en fatigue, en particulier dans les géométries où le post-le traitement est limité ou peu pratique (Réf. 5). Dans le document technique de l'AGMA (Aylott et al., 2024), le 158Q a été testé dans diverses conditions de surface, carburé, grenaillé, rectifié et dans différentes combinaisons d'entre elles (Réf. 6). Il a constamment surpassé le 20MnCr5, même lorsque ce dernier a été soumis à un grenaillage ou à un meulage duplex, voir le tableau 5. Bien que les post--traitements aient encore amélioré les performances, les gains étaient relativement faibles, indiquant que les propriétés telles que-carburées atteignaient déjà un niveau normalement attendu après le grenaillage, voir la figure 3.

L'étude a également noté que l'écart type de la résistance à la fatigue augmentait pour la variante 158Q lorsque des traitements supplémentaires étaient appliqués, ce qui suggère que ces processus introduisaient une variabilité qui n'était pas présente dans l'état carburé. Cette constance des performances est particulièrement précieuse dans les environnements de production où la stabilité des processus est essentielle. L'article de l'AGMA fournit une comparaison complète sur plusieurs conditions de surface, renforçant la robustesse du 158Q et son adéquation aux applications où le post-traitement n'est pas pratique ou indésirable (Réf. 6). Les principaux avantages et applications possibles de la réponse post-traitement du 158Q-Les résultats expérimentaux ont systématiquement montré que le 158Q présente une résistance élevée à la fatigue à l'état brut-carburé, réduisant ainsi le besoin de processus de post-traitement tels que le grenaillage ou le meulage. Même si le grenaillage de précontrainte peut apporter des améliorations modestes, les gains sont souvent limités et, dans certains cas, les performances sont réduites, notamment avec le double grenaillage. Cela peut être dû à des effets de grenaillage excessif, à une relaxation des contraintes ou à des dommages de surface induits. La dureté de surface élevée de l'alliage et sa structure martensitique propre limitent l'efficacité des traitements basés sur la déformation plastique-. De plus, l'augmentation de la rugosité ou de la variabilité de la surface introduite par le post-traitement peut compenser les avantages potentiels. Les données des tests AGMA (Réf. 5) indiquent également que les échantillons post-traités présentaient une dispersion plus élevée de la résistance à la fatigue, suggérant une cohérence réduite du processus. Ces résultats soulignent que l'état de surface du 158Q est déjà proche de l'optimum et que le post-traitement doit être soigneusement évalué ou potentiellement éliminé. Relever les défis du meulage-des engrenages difficiles à-et des petits engrenages. Le meulage est souvent le processus de finition souhaité pour les engrenages qui nécessitent une précision dimensionnelle, une qualité de surface et une géométrie correcte des dents d'engrenage. Cependant, cela devient particulièrement difficile lorsqu’il s’agit de formes complexes et de tolérances serrées. Des facteurs d'influence tels qu'un accès limité aux outils, le risque de dommages thermiques et le besoin de machines spécialisées compliquent souvent le processus. Les engrenages hypoïdes, les engrenages internes et les petits engrenages à module{{32}présentent souvent un accès limité aux outils, ce qui rend le meulage de profil complet-extrêmement difficile, voire totalement irréalisable. La rectification de profil complet est souvent utilisée lorsqu'il est nécessaire d'améliorer encore les performances des engrenages. C'est un défi sur les vitesses mentionnées ci-dessus. Et dans de tels cas, les matériaux doivent fournir l’intégrité de surface finale directement après le traitement thermique. Cela rend le 158Q particulièrement bien adapté-aux types d'engrenages pour lesquels les méthodes de finition traditionnelles ne sont pas viables. Le grenaillage est un traitement de surface largement utilisé pour améliorer la résistance à la fatigue en introduisant des contraintes résiduelles de compression. Cependant, son efficacité diminue considérablement lorsqu’il est appliqué à de petits engrenages avec des racines de dents étroites et des géométries complexes. Ces caractéristiques sont difficiles d’accès avec les équipements de grenaillage conventionnels, ce qui rend difficile l’obtention d’une couverture uniforme dans les zones de contraintes critiques. Pour éviter d'endommager les surfaces délicates, des particules de grenaille plus petites doivent être utilisées, mais elles transportent moins d'énergie cinétique et peuvent ne pas imposer une contrainte de compression suffisante à moins d'être appliquées à des vitesses plus élevées, ce qui introduit une complexité et une variabilité supplémentaires dans le processus. Cette limitation est particulièrement pertinente dans les systèmes de transmission automobiles et électrifiés modernes, où les engrenages compacts et de haute -précision sont courants. Pour de telles applications, des matériaux comme le 158Q, qui offrent des performances élevées en fatigue sans recourir à un post-traitement, offrent une solution plus robuste et-plus rentable. Combler l'écart entre la cémentation et le LPC La cémentation basse-pression est largement reconnue pour sa capacité à produire des surfaces cémentées propres et uniformes-avec une oxydation minimale. Fonctionnant dans un environnement contrôlé sous vide, le LPC élimine l'oxydation intergranulaire généralement associée à la carburation au gaz traditionnelle, ce qui se traduit par une qualité de surface et des performances en fatigue supérieures. Cependant, l'adoption du LPC est souvent limitée par des investissements en capital élevés, des exigences en matière d'équipement spécialisé et la nécessité d'une expertise avancée en matière de contrôle des processus. Pour de nombreuses entreprises, en particulier celles disposant d’une infrastructure de carburation de gaz établie, la transition vers le LPC peut s’avérer coûteuse et perturbatrice sur le plan opérationnel. Dans ce contexte, le 158Q offre une alternative intéressante car il permet d'obtenir une surface propre et résistante à l'oxydation, même dans des conditions de cémentation atmosphérique standard, sans qu'il soit nécessaire de réviser les lignes de traitement thermique existantes. Par conséquent, le 158Q offre une voie pratique et moins coûteuse-pour améliorer les performances et la durabilité des engrenages pour les entreprises cherchant à combler le fossé entre la carburation conventionnelle et le LPC. Durabilité grâce à l'optimisation des processus Les étapes de post-traitement telles que le grenaillage et le meulage des racines consomment de l'énergie, génèrent des déchets et augmentent l'empreinte carbone de la production d'engrenages. En revanche, le 158Q atteint une résistance élevée à la fatigue à l'état carburé, éliminant ainsi le besoin de ces traitements à forte intensité énergétique. Au-delà de la réduction des étapes de traitement, le 158Q permet des conceptions de composants plus compactes et plus efficaces en termes de matériaux. Sa capacité à résister à des charges plus élevées permet des conceptions plus petites, réduisant ainsi la consommation globale d'acier pour chaque composant. Dans les applications à grand volume, même des réductions de taille modestes peuvent conduire à des économies cumulées significatives en matières premières, en énergie et en émissions. Ces avantages s'alignent sur des objectifs de développement durable plus larges et soutiennent une fabrication plus respectueuse de l'environnement tout au long du cycle de vie du produit. Rentabilité et simplification de la fabrication La capacité du 158Q à atteindre une résistance élevée à la fatigue à l'état brut de carburation permet des économies de coûts et une efficacité de production significatives. En éliminant les étapes de post-traitement, les fabricants peuvent réduire les demandes de main-d'œuvre, d'utilisation des équipements et de maintenance. Cette rationalisation raccourcit les cycles de production, réduit les frais généraux et augmente le débit. Éviter les processus abrasifs réduit également l'usure des outils et les coûts des consommables, tout en minimisant les goulots d'étranglement des processus, en particulier dans les environnements à volume élevé où des opérations telles que le meulage des racines peuvent prendre du temps. Le flux de travail simplifié améliore la flexibilité de la planification et réduit les stocks de travaux en cours-en-, permettant ainsi aux fabricants d'atteindre leurs objectifs de performances à moindre coût et avec moins d'étapes de traitement. Conclusion Un nouvel alliage 20NiMo9-7* (Ovako 158Q) est un acier cémenté conçu pour minimiser l'oxydation intergranulaire et éliminer le besoin de processus de post-traitement tels que le grenaillage et le meulage. Grâce à un examen de plusieurs études expérimentales, le 158Q a systématiquement démontré des performances de fatigue supérieures à celles des aciers conventionnels comme le 20MnCr5 et le 16MnCr5, même dans un état carburé. Les principales conclusions incluent : Une résistance à la fatigue jusqu'à 48 % supérieure à celle du 16MnCr5 à l'état brut. Des performances comparables ou supérieures à celles du 20MnCr5 grenaillé ou rectifié sans ces étapes supplémentaires. Le 158Q offre un potentiel significatif pour rationaliser la fabrication des engrenages en réduisant la complexité, les coûts et l'impact environnemental. Ses propriétés isotropes et sa grande intégrité de surface le rendent particulièrement adapté aux géométries d'engrenages complexes ou petites pour lesquelles les méthodes de finition traditionnelles ne sont pas pratiques. En fin de compte, le 158Q ouvre la voie à une production d’engrenages plus efficace, plus fiable et plus durable dans l’industrie automobile et au-delà.