Multifaceted Evaluation of EV Drive Motor Shaft Produced by Radial Forging

Význam tématu

V kontextu přechodu k elektrické mobilitě a snižování emisí CO₂ je klíčové optimalizovat hmotnost i mechanické vlastnosti dílů hnacích systémů EV. Duté hřídele z oceli SCr420 vyráběné radiálním kování nabízejí možnost současného snížení hmotnosti a zvýšení pevnosti, což má přímý dopad na dojezd, spotřebu energie i odezvu motoru.

Cíle a přehled studie

Cílem článku bylo provést multifaktoriální porovnání mechanických a mikrostrukturních vlastností hřídelí po radiálním kování s rozdílným stupněm redukce průřezu (RoA 50, 60 a 70 %) oproti neveřenému (Blank) materiálu. Studie zahrnovala:

• statické tahové zkoušky
• měření Vickersovy tvrdosti
• široko- a úzce-oblasti mapování prvků pomocí EPMA
• termickou analýzu TG-DTA a TMA

Použitá metodika a instrumentace

Pro komplexní hodnocení byly využity následující přístroje:

• AGX-V Precision Universal Testing Machine: statické tahové zkoušky (JIS Z 2241)
• HMV-G31-FA Micro Vickers Hardness Tester: měření tvrdosti v krocích 1 mm až do hloubky 30 mm
• EPMA-8050G Electron Probe Microanalyzer: široko- a úzce-oblasti mapování prvků (C, Si, Cr, Mn, Fe)
• DTG-60 Simultaneous TG-DTA instrument: TG-DTA analýza 200 °C–1000 °C
• TMA-60 Thermomechanical Analyzer: určení teploty transformačního vrcholu

Hlavní výsledky a diskuse

Statické tahové zkoušky odhalily, že radiální kování zvyšuje mez pevnosti i modul pružnosti, zatímco Poissonova poměr je stabilní. Pro vzorky RoA 50 % a 60 % klesala tažnost ve větším hloubkovém dosahu (>16 mm).

Tvrdost Blank materiálu byla vyšší u povrchu a klesala do středu, kde se ustálila. U radiálních produktů byla tvrdost prakticky konstantní v celém průřezu, s výkyvy na hranách (tip a root) způsobenými segregací uhlíku.

EPMA širší mapování ukázalo výrazné proudění prvků Si, Cr, Mn podél směru kování, odpovídající orientaci vláknité struktury. Úzce-oblasti mapování potvrdily jemnější perlitickou dvoufázovou strukturu s užším lamelárním rozložením při vyšší RoA.

TG-DTA analýza neprokázala hmotnostní změny do 1000 °C a identifikovala endotermní špičku kolem 770 °C. TMA detekovala transformaci blízko 790 °C. Mírnější pokles transformační teploty u RoA 70 % souvisí s jemnější mikrostrukturou vytvořenou výraznějším kování.

Přínosy a praktické využití metody

Multifaktoriální přístup kombinuje mechanické, mikrotvrdostní, chemické a termické analýzy, čímž poskytuje komplexní profil materiálu. To umožňuje identifikovat optimální pracovní podmínky radiálního kování a následného tepelného zpracování s cílem dosáhnout rovnoměrných a vysoce výkonných oblastí v dutých hřídelích EV motorů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace in situ monitoringu k procesu kování pro okamžitou kontrolu mikrostruktury
• Využití pokročilých simulačních a AI nástrojů k predikci optimálních parametrů kování
• Vývoj nových slitin oceli s vyšším obsahem legujících prvků pro cílené zlepšení výkonu
• Další zdokonalování mapovacích a termických metod pro detailní sledování transformačních jevů

Závěr

Radiální kování dutých hřídelí z oceli SCr420 významně zvyšuje pevnost a homogenizuje tvrdost, aniž by negativně ovlivnilo tažnost v povrchové oblasti. Kombinace mechanických, mikroskopických a termických analýz potvrdila jemnější mikrostrukturu a posun transformační teploty, což poskytuje cenné podklady pro optimalizaci výrobního procesu a návrh dílů pro EV motory.

Reference

1. Tsuzuki Manufacturing Co., Ltd. Introduction of Shaft. URL přístupu 2023.
2. Application News 01-00440-EN, Evaluation of Electric Vehicle (EV) Motor Shafts Produced by Radial Forging.
3. Application News 01-00445-JP, Evaluation of EV Drive Motor Shaft by Radial Forging Process—Correlation between Hardness and Element Distribution.
4. Application News 01-00513-EN, Evaluation of EV Drive Motor Shaft Produced by Radial Forging: Elemental Mapping Analysis by EPMA.