DESENVOLVIMENTO DE RODA MICROLIGADA COM NIÓBIO PARA
TRANSPORTE HEAVY HAUL
Autor: Eng. (MSc) Domingos José Minicucci *
Gerente de Desenvolvimento e Produto – MWL Brasil Rodas & Eixos Ltda
e-mail: [email protected]
Resumo O transporte Heavy Haul vem crescendo no Brasil e no mundo, bem como as cargas por
eixo sendo realidade hoje na Austrália o transporte de minério com 42 toneladas por eixo. As
tensões geradas no contato roda – trilho com cargas acima de 30 toneladas por eixo são da ordem
de 300 – 400 MPa, valores não suportados pelas rodas convencionais AAR (Association of
American Railroads) classe C. Neste cenário as rodas microligadas são uma necessidade para este
tipo de transporte, cuja principal função é aliar alta dureza, ductilidade e resistência do material ao
escoamento para prevenir o “shelling”, que é o principal defeito que ocorre nas rodas submetidas a
altas cargas. O desenvolvimento da roda microligada com nióbio é descrita neste trabalho com a
obtenção de uma microestrutura bainítica-perlitica que atende todos os requisitos da AAR para
classe D.
Palavras chaves: roda microligada, nióbio, heavy haul
1. INTRODUÇÃO
O transporte “heavy haul” esta crescendo em
todo mundo principalmente nos países
produtores de minério como a Austrália, África
do Sul, Rússia, Suécia, Canadá, Estados
Unidos e também no Brasil, onde a carga por
eixo passa de 30 toneladas em algumas
ferrovias. Na Austrália, berço do transporte
heavy haul, a carga por eixo acima de 40
toneladas já é realidade há alguns anos [1].
As tensões envolvidas no contato roda-trilho
são muito grandes, agravadas pelo fato da
área de contato ser muito reduzida. Estudos
mostram que a área de contato roda-trilho
para uma carga de 20 toneladas por roda é
similar a área de uma moeda de 1 Euro [2],
onde a intensidade da tensão atinge 400 MPa
calculada pela equação de Hertz, que admite
a forma geométrica desta área de contato
como uma elipse. Outro fator de importância
na operação das rodas ferroviárias é a fadiga
que tem dois modos de atuação conforme
segue [3]:
- Fadiga de contato: este modo de fadiga é
oriundo do contato roda-trilho, a cada giro da
roda ocorre uma variação cíclica da tensão
que caracteriza a fadiga de contato que
também esta associada ao desgaste de duas
superfícies metálicas em contato (roda e
trilho).
2
1
Figura 1: Fadiga de contato [3]
- Fadiga térmica: este modo de fadiga tem
como origem o sistema de frenagem do
vagão por sapata de freio que atua
diretamente na pista de rolamento da roda, a
cada ciclo de frenagem a roda aquece
provocando dilatação, e esfria provocando
contração. Este movimento de expansão e
contração caracteriza a fadiga térmica.
Quanto maior a carga por eixo, maior será a
solicitação da peça a fadiga, fato que acarreta
defeitos e falhas nas rodas em serviço, desde
de um simples “shellig” até um caso grave de
fadiga como o “shattered rim”.
Figura 2: Roda com shelling
O defeito mais comum nas rodas em
operação no transporte heavy haul é o
shelling, o qual é definido como perda de
material devido a ação da fadiga de contato.
O shelling tem início próximo a superfície ou
na própria superfície caminhando para o
interior do aro. As trincas tem ângulo de
inclinação de aproximadamente 45⁰ em
relação a pista e são nucleadas pelo processo
de fadiga de contato [4]. Uma das maneiras
de prevenir o shelling nas rodas consiste em
usar aços com maior limite de ruptura e
escoamento.
2. RODAS MICROLIGADAS
A AAR (Association of American Railroads)
em 2011 introduziu na norma de rodas
(M107/208) uma nova classe para rodas
(classe
D)
microligadas
destinadas
especificamente ao transporte heavy haul.
Esta nova classe foi criada para atender as
crescentes cargas por eixo, não mais
suportada pelas rodas classe C em uso para
transporte de carga naquela época. As rodas
microligadas classe D seguem a mesma
composição química das rodas classe C,
porém com adição de microligas que visam
melhorar as propriedades do material quanto
a tenacidade e ao desgaste. Por definição
aços microligados são aqueles que possuem
no máximo 0,5% em peso de elementos de
liga que são fortes formadores de carbonetos
(vanádio, titânio ou nióbio) [5]. A tabela 1
mostra as classes das rodas AAR
diferenciadas pela dureza em Brinell.
Tabela 1: Classes das rodas AAR – Propriedades
mecânicas classe D [5]
Classe
L
Dureza (BHN)
197-277
A
255-321
B
302-341
C
D
321-363
341-415
Propriedades mecânicas classe D
Propriedades
Temp. 538 ⁰C
ambiente
Tensão ruptura
>1083
>483
(MPa)
Tensão
>760
>345
escoamento (MPa)
Alongamento (%)
>14
>20
Redução área (%)
>15
>40
Tenacidade fratura
>40
NA
(MPa √)
Atualmente o melhor material para ferrovias
heavy haul são os aços de alto carbono com
estrutura completamente perlítica. Com o
aumento da demanda e das cargas por eixo
nos últimos anos, a comunidade metalúrgica
da área ferroviária esta verificando que o
emprego da perlita chegou a sua maturação e
uma microestrutura diferente deve ser
desenvolvida para o futuro do transporte
heavy haul [6]. Seguindo esta linha de
tendência, esta pesquisa desenvolveu para
MWL Brasil um aço microligado para rodas
ferroviárias com microestrutura perlíticabainítica com uso de nióbio como microliga.
Esta nova liga atendeu todos os requisitos da
AAR para rodas classe D.
3. NIÓBIO
O Brasil é o maior produtor de nióbio do
mundo e também possui a maior reserva
mundial na região de Araxá em Minas Gerais.
A principal função do nióbio nos aços
microligados esta relacionado com o refino da
microestrutura que aumenta a resistência
mecânica e a tenacidade. Aços com tamanho
de grão pequeno possuem maiores valores
de tenacidade e resistência mecânica do que
os aços de grãos grosseiros. O aumento da
resistência à deformação plástica pelo refino
de grão é devido ao fato de que o contorno de
grão atua como uma barreira para o
movimento das discordâncias, isto é, quanto
menor for o tamanho de grão e maior for a
sua quantidade mais eficiente fica esta
barreira [7]. O nióbio atua principalmente no
contorno de grão restringindo o seu
crescimento e atrasando o processo de
recristalização após o forjamento das rodas,
fazendo com que a microestrutura da roda
fique mais refinada, porém para conseguir um
tamanho de grão austenítico pequeno antes
da transformação da austenita, é necessária a
precipitação de partículas (carbonetos)
durante o forjamento e laminação a quente
[8].
4. PROCEDIMENTO EXPERIMEMTAL
4.1 Composição química e tratamento
térmico: Para determinar a composição
química ideal foi tomado como base a
composição química de uma roda classe C
respeitando a solubilidade do nióbio na
austenita. Uma vez definida a liga para
determinar o processo de tratamento térmico,
foram elaborados corpos de prova e
submetidos ao ensaio de Jominy com várias
condições diferentes de processo. O
tratamento térmico de rodas ferroviárias
compreende austenitização, seguida de
têmpera diferencial com água na pista de
rolamento da roda e posterior revenimento
para alívio das tensões.
Figura 3: Têmpera de roda ferroviária (foto cedida
pela MWL Brasil)
Melhor processo
Gráfico 1: Resultados do ensaio Jominy
Pelos resultados apontados no gráfico 1,
notamos que o processo selecionado foi o
que apresentou maior uniformidade de
dureza, 43 Rc que corresponde a 398 HB
dureza próxima ao máximo da classe D.
4.2 Fragilização da martensita revenida
(FMR): A FMR é um fenômeno metalúrgico
que ocorre com certos tipos de aço nos quais
determinadas faixas de temperatura de
revenimento podem provocar fragilização na
peça. A literatura associa muitos mecanismos
de fratura com a FMR, a qual normalmente é
detectada pelo ensaio de impacto (Charpy)
em temperatura ambiente. Observações
mostram que o teor de carbono e a
temperatura de revenimento tem forte
influência na distribuição dos carbonetos na
matriz que interferem no comportamento do
aço. O mecanismo de fratura depende de
interações complexas entre a composição
química e o tratamento térmico [9]. A norma
AAR não determina a temperatura mínima de
revenimento para rodas, e como se trata de
um aço de alto carbono, a formação de
martensita na pista de rolamento é inevitável.
As rodas forjadas são totalmente usinadas,
inclusive a pista de rolamento, onde a
martensita gerada no processo de têmpera
deve ser removida por se tratar de uma
microestrutura instável e frágil, porém a
garantia de remoção de toda martensita não
existe. Outro fato relevante para o estudo da
FMR é o fato deste desenvolvimento visar
uma microestrutura bainitica-perlítica, onde a
separação entre bainita e martensita não é
muito clara, fato que pode ocasionar a mistura
destas microestruturas perto da superfície da
roda acabada. Para determinar a faixa de
temperatura para FMR da microliga com
nióbio, cortamos a roda em várias secções
(amostras) para posteriormente fazermos a
têmpera em água de cada amostra
separadamente visando a formação de
martensita na região do aro, cada amostra foi
furada para inserção de termopar com
objetivo de monitorar a austenitização e o
revenimento. A etapa seguinte contemplou a
austenitização de cada amostra em forno
mufla, todas as amostras foram austenizadas
na mesma temperatura. Em seguida as
amostras foram temperadas em água a uma
profundidade de 20 mm por 4 minutos, com
objetivo de garantir a formação de martensita
em toda camada temperada. A figura 4
mostra este procedimento.
5. RESULTADOS
A Norma AAR para classe D, determina que 3
rodas fabricadas com a mesma composição
química e o mesmo processo de fabricação
devem ser ensaiadas e os resultados
comparados com a tabela 1.
Camada temperada
5.1 Ensaio de tração a frio no aro : A norma
AAR especifica que dois corpos de prova de
cada roda devem ser ensaiados e parte da
superfície de rolamento da roda deve
permanecer nas extremidades dos corpos de
prova
Tabela 2: Resultado dos ensaios de tração a frio
Roda
Camada temperada
Figura 4: Procedimento para austenitização e
têmpera das amostras
Após a têmpera cada amostra foi revenida em
temperaturas diferentes em forno mufla, com
monitoramento por termopar respeitando o
mesmo tempo de revenimento definido no
processo de tratamento térmico das rodas. Na
sequência, 10 corpos de prova de impacto
foram retirados da camada temperada de
cada amostra, para verificar a faixa de FMR
do material. A figura 5 mostra o local de
extração dos corpos de prova.
897604
897604
897611
897611
897613
897613
Média
AAR-D
Escoamento
(MPa)
844,6
847,1
889,2
869,2
1031,3
885,2
894,43
>760
Resistência
(MPa)
1118,4
1131,5
1143,5
1147,8
1228
1139
1151,37
>1083
Alongamento
(%)
15,46
14,24
15,82
15,32
15,02
14,46
15,05
>14
Redução
área (%)
40,36
38,75
40,64
41,65
39,37
41,5
40,38
>15
5.2 Ensaio de tração a quente: A norma
AAR especifica ensaio de tração a quente
com corpos de prova retirados do aro da roda
na mesma posição do ensaio a frio. A
temperatura do ensaio é de 1.000 ⁰F (538 ⁰C).
Tabela 3: Resultado dos ensaios de tração a
quente
Roda
897604
897604
897611
897611
897613
897613
Média
AAR
Escoamento
(MPa)
458
468
512
589
519
544
515
>345
Resistência
(MPa)
607
618
617
662
614
628
624,3
>483
Alongamento
(%)
23
26
25
22
24
27
24
>20
Redução
área (%)
75
75
76
76
76
78
76
>40
5.3 Ensaio de tenacidade a fratura (K1c): A
norma AAR indica a posição para o corpo de
prova de K1c no aro da roda, devem ser
ensaiados no mínimo dois corpos de prova
por roda.
Figura 5: Localização dos corpos de prova de
impacto
Tabela 4: Resultado do ensaio de tenacidade a
fratura (K1c)
Roda
897604
897611
897613
Média
AAR
CP - A (MPa
√)
59,48
61,6
75,03
CP - B (MPa
√)
52,42
75,7
70,2
64,74
>40
CP - C
(MPa √)
54,56
71,6
62,04
5.4 Mapa de dureza no aro: A dureza no aro
da roda deve estar entre 321-415 BHN até 25
mm da pista de rolamento acabada.
1 mm da pista (bainita)
Figura 6: mapa de dureza do aro da roda
5.5 Microestrutura: A microestrutura na pista
de rolamento da roda acabada não deve ter
martensita, apenas bainita e perlita. As
microgarfias a seguir feitas em MEV mostram
a estrutura bainítica e perlítica obtida ao longo
do aro da roda desde a superfície da pista
acabada até 25 mm de profundidade.
5 mm da pista (bainita)
10 mm da pista (bainita/perlita)
5.6 Tamanho de grão austenítico: O
tamanho de grão austenítico não é solicitado
pela norma AAR, porém é interessante
conhecer para comprovar o refinamento da
estrutura.
15 mm da pista (perlita)
Figura 7: Tamanho de grão austenítico
Conforme figura 7 o tamanho de grão da
estrutura é correspondente ao grau 9 da
ASTM E112, comprovando se tratar de uma
estrutura muito refinada.
20 mm da pista (perlita)
25 mm da pista (perlita)
5.7 Fragilização da martensita revenida
(FMR): A FMR também não é solicitada pela
norma AAR, porém pelos motivos apontados
no item 4.2 foi determinada a temperatura de
revenimento correspondente a faixa de
fragilização desta liga.
Figura 8: Gráfico da FMR para liga de nióbio
Os resultados dos ensaios de Charpy
mostram que a liga em estudo apresenta
FMR entre as temperaturas de 280 ⁰C e 360
⁰C, isto significa que o revenimento das rodas
deverá ser feito fora desta faixa de
temperatura. A temperatura escolhida para
revenimento foi de 500 ⁰C muito superior a
faixa de fragilização garantindo uma operação
segura da roda no caso de haver alma
martensita remanescente na pista da roda.
6. CONCLUSÕES
- A nova liga com nióbio para rodas AAR
classe D atendeu todas as especificações da
norma para este produto.
- O nióbio mostrou ser eficiente com refinador
de grão, segurando e retardando seu
crescimento durante a recristalização.
- A microestrutura fina formada de bainita e
perlita apresentou alta dureza aliada com
tenacidade, fato que torna este tipo de liga
ideal para aplicação em rodas ferroviárias.
- A distinção entre martensita e bainita neste
material levou em consideração a orientação
aleatória dos carbonetos precipitados durante
a têmpera na martensita, enquanto na bainita
os carbonetos são menos alongados e
alinhados em ângulo de 55⁰ a 60⁰.
- O estudo da faixa de FMR possibilitou
determinar uma temperatura segura para o
revenimento das rodas.
7. AGRADECIMENTOS
MWL Brasil Rodas & Eixos Ltda, UNICAMP
(Prof. Dr. Paulo R. Mei), CBMM (Companhia
Brasileira de Metais e Metalurgia).
8. REFERÊNCIAS
[1] A. Hemsworth, I. Orgekh, Development of
42 tonne axle load heavy haul wheel, IHHA,
Perth, Austrália, Junho 2015.
[2] M. Diener, A. Ghidini, Reliability and safety
in railway products, Luchini RS, 118 páginas,
2010.
[3] D.J.Minicucci, Rodas e eixos ferroviáriosconceitos básicos, MWL Brasil, 146 páginas,
2011.
[4] D. Stone, Na interpretative literature review
of wheel shelling – ASME Transportation
division technical conference, Chicago, 2008.
[5] American Association of Railroads, AAR
M107/208 – Section G, 2013.
[6] J. Hornaday, What kind of rail materials will
survive in heavy haul service? – The journal of
wheel rail interaction, USA, 2014.
[7] W.D.Callister, D.G. Rethwisch, Ciência e
engenharia de materiais – uma introdução,
LTC, 2013.
[8] S.T.Fonseca, Efeito de adições de vanádio
e molibdênio na estrutura e propriedades de
rodas ferroviárias, Tese de doutorado,
UNICAMP, 2014.
[9] F.Z.Ebrahimi, G. Krauss, Mechanics of
tempered martensite embrittlement in medium
carbon steels, Acta Metallurgy, vol 32, número
10, pp 1767-1777, 1984.