https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277243 2026-11-05T16:28:16Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277394 Investigação do endurecimento superficial a laser em engrenagem destinada a eletromobilidade em veí­culos agrí­colas de alto torque Magalhães, Bruno de Oliveira A eletrificação de máquinas agrícolas impõe desafios aos sistemas de transmissão, especialmente em aplicações de alto torque, nas quais engrenagens devem combinar elevada resistência superficial, estabilidade dimensional e integridade microestrutural. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo investigar comparativamente os efeitos do tratamento térmico de têmpera e revenimento (Q&T) e do Endurecimento Superficial a Laser (LSH) em engrenagens de aço AISI 4140, visando avaliar o potencial do LSH como alternativa para o endurecimento localizado próximo à superfície em engrenagens aplicadas a redutores de veículos elétricos agrícolas de alto torque. A caracterização do material base envolveu análise química, microscopia óptica, MEV-FEG, dureza Rockwell C e microdureza Vickers. As amostras foram divididas entre placas planas e engrenagens com geometria de aplicação real, avaliadas após os tratamentos quanto à microestrutura, dureza Rockwell C, perfis de microdureza, variação dimensional e rugosidade. Os resultados indicaram que o Q&T promoveu endurecimento em maior volume da engrenagem, com dureza média de aproximadamente 49 HRC no topo dos dentes e 54 HRC no núcleo. Os perfis de microdureza permaneceram relativamente constantes ao longo dos 2 mm de profundidade avaliados, com média de 597 HV0,1. Entretanto, as análises microestruturais indicaram alterações próximas à superfície, compatíveis com possível descarbonetação parcial. O LSH promoveu o endurecimento de uma camada próxima à superfície, com dureza média de 58 HRC no topo dos dentes, enquanto o núcleo manteve dureza próxima à condição do material base, de 33 HRC. A microdureza da zona endurecida pelo LSH foi compatível com a obtida no Q&T, com média próxima de 600 HV0,1. As análises por microscopia óptica e MEV-FEG evidenciaram camada tratada próxima à superfície, com microestrutura compatível com martensita em ripas, seguida por uma zona de transição até o material base. Nas regiões de sobreposição de passes, observou-se heterogeneidade microestrutural e maior dispersão de microdureza, associadas aos ciclos térmicos sucessivos decorrentes da sobreposição. Dimensionalmente, o LSH apresentou menor variação em comparação ao Q&T. A variação dimensional média global foi reduzida de aproximadamente 0,149 mm no Q&T para 0,023 mm no LSH, correspondendo a uma redução de 84,6%. Para W3 e W4, as reduções foram de aproximadamente 91% e 79,3%, respectivamente. Os resultados de rugosidade em amostras planas indicaram aumento de Ra e Rz após o LSH, principalmente nas regiões diretamente irradiadas pelo feixe, porém os valores permaneceram compatíveis com acabamento retificado nas condições avaliadas. De modo geral, os resultados demonstram que o LSH é capaz de produzir uma camada endurecida localizada próximo à superfície com dureza compatível com a obtida no Q&T, mantendo o núcleo com dureza próxima à condição do material base e reduzindo significativamente as alterações dimensionais da engrenagem. Assim, o LSH apresenta potencial técnico relevante para aplicações em engrenagens de redutores de veículos elétricos agrícolas de alto torque, especialmente quando a elevada dureza superficial e a estabilidade geométrica são requisitos prioritários. Entretanto, a heterogeneidade nas regiões de sobreposição e a variação da profundidade da camada tratada indicam a necessidade de ajustes nos parâmetros de processo para aplicações industriais futuras.; Abstract: The electrification of agricultural machinery poses challenges to transmission systems, particularly in high-torque applications, in which gears must combine high surface strength, dimensional stability, and microstructural integrity. In this context, this study aimed to comparatively investigate the effects of conventional quenching and tempering (Q&T) and Laser Surface Hardening (LSH) on AISI 4140 steel gears, evaluating the potential of LSH as an alternative for localized near-surface hardening in gears used in reduction systems for high-torque electric agricultural vehicles. The base material was characterized by chemical analysis, optical microscopy, FE-SEM, Rockwell C hardness, and Vickers microhardness. The samples comprised flat specimens and gears with application-representative geometry, which were evaluated after heat treatment in terms of microstructure, Rockwell C hardness, microhardness profiles, dimensional variation, and surface roughness. The results indicated that Q&T promoted hardening over a larger volume of the gear, with average hardness values of approximately 49 HRC at the tooth top and 54 HRC in the core. The microhardness profiles remained relatively constant throughout the evaluated depth of 2 mm, with an average value of 597 HV0.1. However, microstructural analyses indicated near-surface changes compatible with possible partial decarburization. LSH produced a hardened layer near the surface, with an average hardness of 58 HRC at the tooth top, while the core retained hardness close to that of the base material, approximately 33 HRC. The microhardness of the LSH-hardened zone was comparable to that obtained after Q&T, with an average value close to 600 HV0.1. Optical microscopy and FE-SEM analyses revealed a near-surface treated layer with a microstructure compatible with lath martensite, followed by a transition zone toward the base material. In pass-overlap regions, greater microstructural heterogeneity and microhardness dispersion were observed, associated with successive thermal cycles resulting from overlapping passes. From a dimensional standpoint, LSH produced lower variation than Q&T. The overall average dimensional variation decreased from approximately 0.149 mm after Q&T to 0.023 mm after LSH, corresponding to a reduction of 84.6%. For W3 and W4, the reductions were approximately 91% and 79.3%, respectively. Surface roughness results obtained from flat specimens indicated increases in Ra and Rz after LSH, particularly in regions directly irradiated by the laser beam; however, the values remained compatible with a ground surface finish under the evaluated conditions. Overall, the results demonstrate that LSH can produce a localized near-surface hardened layer with hardness comparable to that obtained by Q&T, while maintaining the core hardness close to the base-material condition and significantly reducing dimensional changes in the gear. Therefore, LSH shows relevant technical potential for gears used in reduction systems for high-torque electric agricultural vehicles, particularly when high surface hardness and geometric stability are priority requirements. Nevertheless, the heterogeneity observed in overlap regions and the variation in hardened-layer depth indicate the need for further process-parameter optimization for future industrial applications. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277364 Desenvolvimento de um modelo computacional heurístico para carregamentode cargas semi-homogêneas em contêineres de 40 pés Rengel, Fernando Borges Esta dissertação desenvolve um modelo computacional heurístico para o Container Loading Problem (CLP), destinado à alocação de cargas semi-homogêneas retangulares em contêineres de 40 pés, considerando restrições operacionais da logística de uma indústria. A pesquisa identifica um cenário de baixa ocupação volumétrica no transporte de peças Body-in-White entre um centro de distribuição na Europa e uma planta no Brasil e busca melhorar a utilização dos contêineres por meio de uma ferramenta computacional acessível aos profissionais de logística. O método compreende revisão bibliográfica, caracterização do problema industrial, coleta e análise de dados, desenvolvimento do modelo heurístico, implementação computacional, testes e validação experimental. O modelo integra as heurísticas construtivas First-Fit Decreasing, utilizada na formação dos empilhamentos tridimensionais, e Best-Fit Decreasing, Bottom-Left e Skyline, aplicadas ao posicionamento bidimensional dos empilhamentos nos contêineres. A implementação utiliza a linguagem Visual Basic for Applications (VBA) no Microsoft Excel e incorpora restrições relacionadas às dimensões e ao peso das cargas, à estabilidade dos empilhamentos e à capacidade de movimentação por empilhadeiras. No caso principal, composto por 88 caixas, o modelo reduziu a relação de 1,80 para 1,47 contêiner por lote, representando uma melhoria de 18,33%, com ocupação volumétrica média de 67,17% e tempo de processamento de aproximadamente 8 segundos. A validação experimental confirmou a viabilidade física dos empilhamentos e dos posicionamentos indicados pelo algoritmo. A aplicação dos resultados ao planejamento de longo prazo indicou potencial de redução de 620 contêineres entre 2026 e 2034, correspondente a aproximadamente R$ 19,78 milhões em custos logísticos. Testes adicionais com 344 e 2.303 caixas apresentaram ocupações de 71% e 79%, respectivamente, inferiores às obtidas por um software comercial especializado, porém demonstraram a capacidade do modelo de gerar soluções iniciais de boa qualidade em curto tempo computacional. Conclui-se que o modelo desenvolvido constitui uma alternativa prática e acessível para apoiar o planejamento logístico, permitindo simular cenários, melhorar a utilização dos recursos de transporte e apoiar a tomada de decisão.; Abstract: This dissertation develops a heuristic computational model for the Container Loading Problem (CLP), intended for the allocation of semi-homogeneous rectangular loads in 40-foot containers, considering the operational constraints of a real industry logistics area. The research identifies a scenario of low volumetric utilization in the transportation of Body-in-White (BiW) parts between a distribution center in Europe and a manufacturing plant in Brazil and seeks to improve container utilization through a computational tool accessible to logistics professionals. The method comprises a literature review, characterization of the industrial problem, data collection and analysis, development of the heuristic model, computational implementation, testing, and experimental validation. The model integrates the constructive heuristics First-Fit Decreasing, used to form three-dimensional stacks, and Best-Fit Decreasing, Bottom-Left, and Skyline, applied to the two-dimensional positioning of the stacks within the containers. The implementation uses the Visual Basic for Applications (VBA) programming language in Microsoft Excel and incorporates constraints related to load dimensions and weight, stack stability, and forklift handling capacity. In the main case, comprising 88 boxes, the model reduced the ratio from 1.80 to 1.47 containers per batch, representing an improvement of 18.33%, with an average volumetric utilization of 67.17% and a processing time of approximately 8 seconds. Experimental validation confirmed the physical feasibility of the stacks and positions indicated by the algorithm. Applying the results to long-term planning indicated the potential to reduce the use of 620 containers between 2026 and 2034, corresponding to approximately BRL 19.78 million in logistics costs. Additional tests involving 344 and 2,303 boxes achieved volumetric utilization rates of 71% and 79%, respectively, which were lower than those obtained by specialized commercial software, but demonstrated the modelâ s ability to generate good-quality initial solutions within a short computational time. It is concluded that the developed model provides a practical and accessible alternative to support logistics planning, enabling scenario simulation, improved utilization of transportation resources, and support for decision-making. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277346 Avaliação da resistência ao desgaste de disco de freio de ferro fundido cinzento revestido com AISI 316L e WC por high speed laser cladding Oliveira, Renée Roberto de Com o aumento das regulamentações ambientais e das normas de emissões veiculares, desenvolver soluções para reduzir o desgaste dos discos de freio, sem comprometer seu desempenho, torna-se essencial. Os discos de freio são submetidos a condições severas de temperatura e carregamento mecânico, que contribuem para o desgaste e a geração de partículas. O ferro fundido cinzento, amplamente utilizado na fabricação desses componentes devido ao baixo custo e à boa usinabilidade, apresenta resistência ao desgaste limitada. Nesse contexto, a aplicação de revestimentos resistentes ao desgaste por meio do processo de High-Speed Laser Cladding (HSLC) apresenta-se como uma alternativa para aumentar a durabilidade desses componentes. Este estudo investigou a aplicação do HSLC em substratos de ferro fundido cinzento utilizando uma camada de transição em aço inoxidável AISI 316L e um revestimento compósito de AISI 316L reforçado com 30% em massa de carboneto de tungstênio (WC). Os revestimentos foram caracterizados quanto à microestrutura, espessura, composição química, dureza e comportamento tribológico por meio de ensaios de esfera-sobre-disco. Os resultados evidenciaram a formação de revestimentos contínuos, com espessura média de aproximadamente 471 µm, adequada ligação metalúrgica com o substrato e ausência de defeitos críticos, como trincas interfaciais e delaminações. A dureza Brinell média aumentou de aproximadamente 248 HB, no ferro fundido cinzento, para 267 HB no sistema revestido. Nos ensaios tribológicos, embora o revestimento tenha apresentado coeficiente de atrito médio ligeiramente superior ao do substrato, a taxa específica de desgaste foi reduzida de 1,72 × 10⁻⁴ para 7,05 × 10⁻⁵ mm³/N.mm, correspondendo a uma redução aproximada de 59%. Os resultados demonstram que a incorporação de 30% em massa de WC ao AISI 316L promoveu aumento da resistência ao desgaste, mantendo a integridade do revestimento obtido por HSLC. Dessa forma, o sistema AISI 316L + 30% WC apresentou potencial para aplicação em discos de freio automotivos, contribuindo para o aumento da resistência ao desgaste e da durabilidade dos componentes.; With the increasing environmental regulations and vehicle emission standards, developing solutions to reduce brake disc wear without compromising their performance has become essential. Brake discs are subjected to severe temperature and mechanical loading conditions, which contribute to wear and particle generation. Gray cast iron, widely used in the manufacture of these components due to its low cost and good machinability, exhibits limited wear resistance. In this context, the application of wear-resistant coatings by means of the High-Speed Laser Cladding (HSLC) process represents an alternative for increasing the durability of these components. This study investigated the application of HSLC on gray cast iron substrates using an AISI 316L stainless steel transition layer and a composite coating of AISI 316L reinforced with 30 wt.% tungsten carbide (WC). The coatings were characterized in terms of microstructure, thickness, chemical composition, hardness, and tribological behavior through ball-on-disk tests. The results evidenced the formation of continuous coatings, with an average thickness of approximately 471 µm, adequate metallurgical bonding to the substrate, and absence of critical defects such as interfacial cracks and delamination. The average Brinell hardness increased from approximately 248 HB for the gray cast iron to 267 HB for the coated system. In the tribological tests, although the coating exhibited a slightly higher average coefficient of friction than the substrate, the specific wear rate decreased from 1.72 à 10?4 to 7.05 à 10?5 mm³/N.mm, corresponding to an approximate reduction of 59%. The results demonstrate that the incorporation of 30 wt.% WC into the AISI 316L matrix increased wear resistance while maintaining the integrity of the HSLC-produced coating. Therefore, the AISI 316L + 30 wt.% WC system showed potential for application in automotive brake discs, contributing to increased wear resistance and component durability. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z