Avaliação da influência do jateamento superficial sobre os níveis de tensões residuais em aços para componentes de transmissão automobilística

Abstract

O aumento do uso de veículos automotores elétricos cria um desafio para os fabricantes de autopeças uma vez que os níveis de solicitação sob fadiga aumentam em relação aos níveis verificados nos carros a combustão. Em alguns casos as rotações saem dos níveis convencionais de 1.000 a 2500 rpm para até 10.000 rpm nos carros elétricos. Neste cenário o emprego do jateamento superficial de peças que compõem o sistema de transmissão é praticamente uma exigência, uma vez que tal tratamento introduz tensões residuais compressivas na superfície destas peças, elevando significativamente a vida em fadiga das mesmas. Nesse contexto, este trabalho analisa amostras de aços submetidos a esse tratamento, os quais são empregados na fabricação de componentes de transmissões de veículos. O foco recai sobre duas categorias de amostras: corpos de prova do aço SAE 4120, e de um aço mola EN-10270-1-DH. Para o aço 4120, são avaliadas a microestrutura e a dureza do material em sua condição normalizada, e são analisadas a microestrutura, dureza, tensões residuais e rugosidade em sua condição cementada, antes e depois do jateamento de esferas. Para o aço mola, são analisadas a microestrutura, dureza e tensões residuais em sua condição conformada à frio, com as duas últimas sendo analisadas antes e depois do jateamento. As microestruturas são avaliadas através de microscopia ótica, e as tensões residuais são medidas por meio de difração de Raios-X. Os resultados obtidos mostram que, como esperado, para ambos os aços houve um aumento do nível de tensão residual compressiva. O aço 4120 experimentou um ganho de 1,9 vezes na superfície e 5,7 vezes na subsuperfície, enquanto o aço mola apresentou ganho de 2,3 vezes nas tensões compressivas na superfície. Em termos microestruturais, observou-se para o aço 4120 uma redução nos níveis de austenita retida na microestrutura próxima a superfície da amostra na ordem de 20% para 15% após o jateamento indicando uma possível transformação martensítica induzida por deformação, seguida de um aumento na microdureza superficial (5,0%), além de um incremento na rugosidade (Ra) do material de 0.31 μm para 0.42 μm. O aço mola experimentou um incremento na dureza superficial de 4%.

The use of electric vehicles poses a challenge for auto parts manufacturers as fatigue stress levels rise compared to those in combustion engine cars. In some cases, rotations can exceed conventional levels of 1,000 to 2,500 rpm, reaching up to 10,000 rpm in electric cars. In this scenario, the use of shot peening on components of the transmission system becomes almost mandatory, as this treatment introduces compressive residual stresses on the surface of these parts, significantly extending their fatigue life. In this context, this study analyzes samples of steels subjected to this treatment, which are used in the manufacturing of vehicle transmission components. The focus is on two categories of samples: specimens of SAE 4120 steel and EN-10270-1-DH spring steel. For SAE 4120 steel, the microstructure and hardness of the material are evaluated in its normalized condition, and the microstructure, hardness, residual stresses, and roughness are analyzed in its carburized condition, before and after shot peening. For spring steel, the microstructure, hardness, and residual stresses are analyzed in its cold-formed condition, with the latter two being examined before and after shot peening. Microstructures are assessed through optical microscopy, and residual stresses are measured using X-ray diffraction. The results show that, as expected, there was an increase in the level of compressive residual stress for both steels. SAE 4120 steel experienced a gain of 1.9 times on the surface and 5.7 times in the subsurface, while spring steel showed a gain of 2.3 times in compressive stresses on the surface. In terms of microstructure, SAE 4120 steel exhibited a reduction in retained austenite levels near the sample surface, from 20% to 15% after shot peening, indicating a possible deformation-induced martensitic transformation. This was followed by an increase in surface microhardness (5.0%) and an increase in material roughness (Ra) from 0.31 μm to 0.42 μm. Spring steel experienced an increase in surface hardness of 4%.