Investigação do endurecimento superficial a laser em engrenagem destinada a eletromobilidade em veículos agrícolas de alto torque

Abstract

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.