BR102016001063A2

BR102016001063A2 - Steel alloy for rail components, and process for obtaining a steel alloy for rail components

Info

Publication number: BR102016001063A2
Application number: BR102016001063-2A
Authority: BR
Inventors: Marcelo Belchior Carlos
Original assignee: Amsted Maxion Fundição E Equipamentos Ferroviários S/A
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-07-25
Also published as: US20190119767A1; US20170204487A1; BR102016001063B1; US10415108B2; US10400296B2

Abstract

a presente invenção refere-se à liga de aço para compo-nentes ferroviários e a seu processo de obtenção, sendo que a liga que compreende, em porcentagem de peso, 0,21 a 0,27 de carbono, 0,80 a 1,20 de manganês, 0,35 a 0,60 de silício, até 0,02 de fósforo, até 0,02 de enxofre, 0,55 a 0,65 de cromo, 0,45 a 0,55 de molibdênio, 1,75 a 2,05 de níquel e 0,005 a 0,030 de titânio, permitindo, através de sua composição, propriedades mecânicas, temperabilidade e resistência à corrosão desejáveis para aplicação em componentes ferroviários.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DE AÇO PARA COMPONENTES FERROVIÁRIOS, E PROCESSO DE OBTENÇÃO DE UMA LIGA DE AÇO PARA COMPONENTES FERROVIÁRIOS”.

[001] A presente invenção refere-se a uma liga de aço, mais especificamente para aplicação em componentes ferroviários, dotada de uma composição química que promove o aprimoramento de diversas de suas propriedades mecânicas, em particular a resistência à fadiga. Descrição do Estado da Técnica [002] No decorrer dos últimos anos, as cargas transportadas pelo sistema ferroviário têm aumentado consideravelmente por consequência da crescente demanda por transporte de grande capacidade. Esta demanda gerou a necessidade de se aumentar a carga transportada em cada viagem realizada pelos trens, o que levou ao aumento da quantidade de vagões de carga transportados na composição ferroviária. Adicionalmente, os próprios projetos de ditos vagões de carga também começaram a ser elaborados com uma maior capacidade de carga em mente.

[003] Por consequência ao aumento da carga transportada, os esforços longitudinais sofridos pelos componentes mecânicos da composição ferroviária também aumentaram. Dentre os componentes que acabaram por serem mais solicitados mecanicamente, encontra-se o sistema de choque e tração dos vagões, que são os mecanismos responsáveis pelo acoplamento seguro entre locomotivas e vagões para formação da composição ferroviária.

[004] Além de uma operação segura, são características fundamentais desses sistemas a flexibilidade, a padronização e a facilidade de manuseio. Devem garantir o rápido acoplamento e desacoplamento dos vagões, bem como transferir os esforços de tração e compressão ao longo do trem, dentro dos limites estabelecidos.

[005] Após a realização de simulações e análise de dados obtidos em vagões instrumentados, observou-se que os sistemas de choque e tração dos vagões ferroviários atuais estão sendo submetidos a esforços longitudinais considerados extremos, o que aumenta consideravelmente o risco de falhas e aumenta os custos com manutenção preventiva e corretiva.

[006] Naturalmente, um dos problemas provenientes do aumento de carga transportada pelos vagões é que a liga atualmente utilizada para fabricação dos componentes do sistema de choque e tração de cada vagão não mais apresenta propriedades mecânicas adequadas para esse tipo de solicitação.

[007] Mais especificamente, ligas de aço comumente utilizadas para fabricação de componentes de vagões ferroviários não possuem composições que favoreçam a condição de extremos esforços longitudinais sofridos pelos sistemas de choque e tração dos vagões. Como exemplo, podem citar a liga revelada no documento US 2.447.089, dotada de alta resistência à tração e ao impacto, para aplicação em indústrias ferroviárias e automotivas.

[008] A composição química da liga revelada em US 2.447.089 é de 0,15 a 0,4% de carbono, 1,0 a 2,5% de manganês, 0,8 a 3,0% de silício, 1,0 a 5,0% de níquel e 0,25 a 1,0% de molibdênio. Embora tais intervalos de composição sejam úteis para conferir diversas características mecânicas benéficas a componentes da composição ferroviária, dita composição resulta em diversos problemas que a tornam imprópria para uso em solicitações atuais, tal como a ausência de titânio, que atua como refinador do tamanho de grão e diminui efeitos deletérios do Nitrogênio, e a falta de especificação de níveis máximos de fósforo e enxofre, que são elementos críticos para todas as propriedades mecânicas desejáveis num sistema de choque e tração. Além disso, o manganês se apresenta em faixa muito "alta" para aços temperados e revenidos, onde o Mn pode prejudicar a tenacidade da liga.

[009] Outra liga do estado da técnica que apresenta problemas em relação à capacidade mecânica desejada atualmente é aquela revelada no documento US 5.482.675. Dita liga é, conforme descrito no documento, específica para aplicação em vagões ferroviários, e possui a seguinte composição química: 0,15 a 0,21% de carbono, 0,9 a 1,3% de manganês, 0,35 a 0,65% de silício, 0,25 a 0,6% de cromo, 0,1 a 0,3% de molibdênio, até 0,025% de fósforo e até 0,025% de enxofre. Entretanto, novamente não se vê a utilização de titânio, por exemplo, e os níveis máximos de fósforo e enxofre são demasiadamente altos para o padrão necessário atualmente, prejudicando assim determinadas características desejáveis como por exemplo, a tenacidade. Ainda, não se vê principalmente o Níquel, que melhora a tenacidade e atua siner-gicamente com o Cromo e o Molibdênio.

[0010] Dessa forma, não se observa no estado da técnica uma liga de aço para aplicação em componentes de vagão ferroviário, mais especificamente para aplicação em componentes do sistema de choque e tração do vagão, que promova propriedades mecânicas suficientes para suportar os esforços sofridos pelos vagões submetidos às cargas impostas pela demanda atual.

Objetivos da Invenção [0011] Um primeiro objetivo da presente invenção é fornecer uma liga de aço, mais especificamente aço baixa liga para componentes ferroviários, que possua propriedades mecânicas adequadas à crescente demanda de carga apresentada pelo comércio ferroviário, enquanto se mantém economicamente viável e relevante do ponto de vista comercial.

[0012] Um segundo objetivo da presente invenção é fornecer uma liga de aço para aplicação em sistemas de choque e tração de vagões ferroviários que apresente uma resistência à fadiga adequada à cres- cente demanda de carga apresentada pelo comércio ferroviário.

[0013] Um terceiro objetivo da presente invenção é fornecer uma liga de aço para aplicação em sistemas de choque e tração de vagões ferroviários que apresente uma boa resistência à corrosão, em especial a corrosão atmosférica, enquanto cumpre os demais objetivos apresentados.

[0014] Um quarto objetivo da presente invenção é fornecer uma liga de aço para aplicação em sistemas de choque e tração de vagões ferroviários cuja composição química permita uma boa temperabilida-de do aço obtido e evite a fragilidade ao revenido.

[0015] Um quinto objetivo da presente invenção é apresentar um processo de obtenção da presente liga que permita que a mesma alcance os objetivos propostos da maneira mais eficiente possível.

Breve Descrição da Invenção [0016] A presente invenção trata de uma liga de aço para componentes ferroviários que compreende, em porcentagem de peso, 0,21 a 0,27 de carbono, 0,80 a 1,20 de manganês, 0,35 a 0,60 de silício, até 0,02 de fósforo, até 0,02 de enxofre, 0,55 a 0,65 de cromo, 0,45 a 0,55 de molibdênio, 1,75 a 2,05 de níquel, e 0,005 a 0,030 de titânio.

[0017] Particularmente, a liga compreende ainda, em porcentagem de peso, até 0,30 de cobre e 0,020 a 0,050 de alumínio. O equilíbrio é substancialmente ferro e impurezas.

[0018] O processo de obtenção da liga de aço acima compreende as seguintes etapas: [0019] Etapa i) fundição da liga;

[0020] Etapa ii) tratamento de normalização;

[0021] Etapa iii) tratamento de têmpera; e [0022] Etapa iv) tratamento de revenido.

[0023] Na etapa iv) o revenido ocorre a uma temperatura de 400°C a 700°C durante um tempo de 1 hora a 5 horas. Na etapa ii) a normali- zação ocorre a uma temperatura de 910°C durante um tempo de 2 horas e 15 minutos, o resfriamento ocorrendo à temperatura ambiente, e na etapa iii) a têmpera ocorre a uma temperatura de 900°C por um período de tempo de 2 horas e 15 minutos, o resfriamento ocorrendo a uma temperatura máxima de 38°C.

[0024] Mais particularmente, na etapa iv) o revenido pode ocorrer entre 530°C e 600°C durante 2 horas a 4 horas, e ainda mais particularmente, a uma temperatura de 560°C por um período de 3 horas.

[0025] Ainda, entre a etapa i) de fundição e a etapa ii) de tratamento de normalização, pode existir uma etapa intermediária de forja-mento.

Descrição Resumida dos Desenhos [0026] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: [0027] Figura 1 - um conjunto de gráficos que retratam os resultados obtidos para os ensaios de tração da liga da presente invenção em comparação com um aço grau "E" padrão;

[0028] Figura 2 - um gráfico que retrata os resultados obtidos para os ensaios de impacto da liga da presente invenção em comparação com um aço grau "E" padrão;

[0029] Figura 3 - um gráfico que retrata os resultados obtidos para os ensaios de dureza da liga da presente invenção em comparação com um aço grau "E" padrão;

[0030] Figura 4 - microestrutura típica de um aço grau "E" padrão;

[0031] Figura 5 - microestrutura típica do aço composto pela liga da presente invenção;

[0032] Figura 6 - tamanho de grão austenítico de um aço grau "E" padrão;

[0033] Figura 7 - tamanho de grão austenítico do aço composto pela liga da presente invenção;

[0034] Figura 8 - descontinuidade revelada na inspeção por partículas magnéticas de uma peça composta por um aço grau "E" padrão;

[0035] Figura 9 - descontinuidade revelada na inspeção por partículas magnéticas de uma peça composta por um aço grau "E" padrão;

[0036] Figura 10 - gráfico que retrata a curva S-N de um aço grau Έ" padrão;

[0037] Figura 11 - gráfico que retrata a curva S-N de um aço composto pela liga da presente invenção; e [0038] Figura 12 - gráfico que retrata a quantidade média de indicações de descontinuidade para um aço composto pela liga da presente invenção em relação a um aço padrão "E";

[0039] Figura 13 - gráfico que retrata o comprimento total médio das descontinuidades para um aço composto pela liga da presente invenção em relação a um aço padrão Έ".

Descrição Detalhada das Figuras [0040] A liga de aço da presente invenção se propõe a apresentar propriedades mecânicas, especialmente aquelas ligadas à resistência à fadiga, superiores às ligas convencionalmente utilizadas em componentes ferroviários por meio da inclusão e modificação da quantidade de determinados elementos químicos presentes na mesma.

[0041] Cumpre notar, inicialmente, que um aumento no teor de carbono pode aumentar o limite de fadiga dos aços, porém outros elementos de liga podem ser necessários para atingir a temperabilida-de necessária. Como o aumento do teor de carbono pode trazer também uma série de desvantagens, como menor ductilidade, uma melhor abordagem é a seleção de um aço com uma combinação do menor conteúdo de carbono possível com a quantidade necessária de elementos de liga para adquirir, numa estrutura de martensita revenida, a resistência necessária para alcançar um limite de fadiga desejável.

[0042] Tendo este entendimento como base para a realização dos estudos e desenvolvimento da liga da presente invenção, e após sucessivos testes com diferentes ligas e tratamentos térmicos, chegou-se a uma liga ideal que cumpre os objetivos da presente invenção, com o seguinte intervalo de composição química: Elemento C Mn Si P S Cr Mo Ni Cu Al Ti Mín 0,21 0,80 0,35 “ - 0,55 0,45 1,75 “ 0,020 0,005 Comp %________________________________________________________________ Máx 0,27 1,20 0,60 0,02 0,02 0,65 0,55 2,05 0,30 0,050 0,030 [0043] A seguir, será esclarecido como se obteve esta liga específica e serão apresentados testes que confirmam sua eficiência frente às ligas do estado da técnica para aplicação em sistemas de choque e tração de vagões ferroviários.

[0044] Inicialmente, esclarece-se que a liga de aço da presente invenção é considerada "baixa-liga", ou seja, com teor de elementos de liga diferentes do ferro e do carbono em uma porcentagem de peso total de até 8%, aproximadamente. Aços baixa-liga são os mais co-mumente utilizados para compor os elementos dos sistemas de choque e tração dos vagões ferroviários, inclusive por recomendação da Associação Americana de Ferrovias (AAR, na sigla em inglês).

[0045] Mais especificamente, a publicação "Manual of Standards and Recommended Practices", do departamento de Segurança e Operações da AAR, inclui todas as normas, especificações e práticas recomendadas pela Associação Americana de Ferrovias. Em sua seção S, parte I ("Casting Details"), são detalhados os requerimentos para fundidos e sistemas de acoplamento. A especificação M-201 em particular, cobre fundidos de aço carbono e baixa liga para locomotivas e vagões usando os graus denominados A, B, B+, C, D e E. Diversos componentes do sistema de choque e tração são fundidos no grau E, que deve ser fornecido temperado e revenido.

[0046] A tabela a seguir mostra as especificações de liga que o aço Grau E deve seguir: Elemento_______C_______Μη______Si_____P_______S_____ ~%Máx | 0,32 | 1,85 1,50 0,04 0,04 [0047] O conteúdo de outros elementos além daqueles da tabela acima deve ser selecionado pelo fabricante de forma a obter as propriedades mecânicas especificadas. Além disso, o Carbono Equivalente (CE) da liga deverá possuir um máximo de 0,88%, calculado pela seguinte fórmula: Mn + SÍ Cr + Mo + V Nt + Cu CE=c+__+—_—+__ [0048] Conforme pode ser visto, a composição química da liga da presente invenção se mantém dentro dos padrões estabelecidos para um aço grau E.

[0049] Conforme já foi dito, o desenvolvimento da presente invenção teve por foco a manutenção do menor nível de carbono possível com a quantidade necessária de outros elementos de liga para adquirir uma estrutura resistente e economicamente viável. Dessa forma, a composição passou por estudos para refinar a concentração de cada elemento que compõe a liga, considerando tanto a sua contribuição para as propriedades desejadas, quanto as suas características econômicas. Além disso, buscou-se também a redução da vulnerabilidade à formação de trincas de têmpera.

[0050] A seguir, serão apresentados os elementos que compõem a liga e justificadas as suas concentrações. 1. Elementos da composição [0051] Manganês: Tem forte efeito sobre a temperabilidade do aço, e, portanto, se mostra extremamente relevante para a obtenção de boas propriedades mecânicas. Possui menor tendência para ma-crossegregação do que qualquer um dos elementos comuns.

[0052] O manganês é benéfico para a qualidade superficial após tratamento térmico e também contribui para a dureza e resistência, embora em menor grau do que o carbono. Na verdade, sua contribuição é dependente do teor de carbono, sendo esta diretamente proporcional.

[0053] Embora apresente vantagens relativas à dureza e à resistência, o aumento do teor de manganês diminui a ductilidade e a sol-dabilidade do aço obtido. Ademais, em aços martensíticos (temperados e revenidos), a presença do manganês gera um efeito de redução de tenacidade. Por essa razão, o teor de manganês da liga da presente invenção se afasta consideravelmente do teor máximo estabelecido pela AAR para aços grau E.

[0054] Silício: Nos aços fundidos, uma quantidade mínima de silício é necessária para fornecer fluidez nas operações de fundição e vazamento. É um dos principais desoxidantes utilizados na produção de aço e, portanto, sua quantidade é relacionada com o tipo de aço produzido.

[0055] Neste sentido, se o silício é usado na desoxidação (isto é, aço acalmado ao silício), obtém-se um grão austenítico grosseiro. Caso o alumínio seja usado para desoxidação (ou seja, acalmado ao alumínio), o resultado é um grão austenítico fino. Uma explicação para a obtenção de grãos finos é que, à temperatura de austenitização usada para tratamento térmico, o alumínio combina com o nitrogênio dissolvido no aço para formação de nitretos de alumínio. As partículas de nitreto de alumínio inibem o crescimento dos grãos de austenita.

[0056] Sendo assim, em aços tendo a mesma composição química, microestrutura e resistência, aqueles classificados como "acalmados ao alumínio, grãos finos" terão melhor tenacidade do que aqueles classificados como "acalmados ao silício, grãos grosseiros". Portanto, um nível mínimo de silício é utilizado na composição química da liga da presente invenção.

[0057] Fósforo: O aumento da concentração de fósforo em uma liga de aço aumenta a resistência e a dureza da liga, enquanto diminui a ductilidade e a tenacidade da mesma. Esta redução se mostra menor em aços de alto carbono, entretanto este não é o caso da liga da presente invenção, que se preocupa em manter os níveis de carbono mais baixos possíveis. Dessa forma, os níveis de fósforo adotados para a liga da presente invenção são os mais baixos possíveis, tendo em vista também um custo adequado de produção, sendo que, de maneira geral, quanto maior a etapa de desfosforação, mais caro se torna o processo.

[0058] Enxofre: o enxofre se apresenta na liga da presente invenção principalmente como impureza, visto que não promove pratica-mente nenhum benefício às propriedades mecânicas da liga. Similarmente ao fósforo, o enxofre é definido em níveis mais baixos possíveis, tendo em vista também um custo adequado de produção, sendo que, de maneira geral, quanto maior a etapa de dessulfuração, mais caro se torna o processo.

[0059] O enxofre é muito prejudicial à qualidade superficial do aço, em particular nos aços de baixo carbono e baixo manganês, que é o caso da presente invenção. Um maior teor de enxofre reduz a ductilidade transversal e a tenacidade, tendo apenas um ligeiro efeito benéfico sobre as propriedades mecânicas longitudinais. Tem uma maior tendência à segregação do que qualquer um dos outros elementos comuns, e está associado, juntamente ao fósforo, a formação de trincas de contração em fundidos de aço. A soldabilidade também diminui com o aumento do teor de enxofre.

[0060] Sua influência nociva às propriedades da liga é levemente atenuada dando ao aço um teor de manganês tal que o sulfeto predominantemente formado seja o de manganês, menos deletério do que o sulfeto de ferro. Assim, justifica-se a concentração mínima de enxofre na liga da presente invenção, e ao mesmo tempo justifica-se a concen- tração de manganês escolhida.

[0061] Cromo: Além de aumentar a temperabilidade e a resistência à alta temperatura, é também adicionado ao aço para aumentar a resistência à corrosão e à oxidação. O cromo também é usado como endurecedor, e com frequência é utilizado juntamente a um elemento de aumento da tenacidade, tal como o níquel, para produzir propriedades mecânicas superiores.

[0062] O níquel, em combinação com o cromo, produz aços com maior temperabilidade, superior resistência ao impacto e maior resistência à fadiga do que pode ser obtida em aços carbono, e, portanto, um nível adequado foi utilizado na liga da presente invenção visando tais propriedades.

[0063] Molibdênio: Quando o molibdênio está em solução sólida na austenita antes da têmpera, as taxas de reação para a transformação se tornam consideravelmente mais lentas em comparação com aço carbono. O molibdênio pode induzir endurecimento secundário durante o revenimento de aços temperados e melhora a resistência à fluência de aços de baixa liga a temperaturas elevadas. Ainda, a adição de molibdênio ao aço cromo-níquel melhora significativamente a temperabilidade e torna a liga relativamente imune à fragilidade ao re-venido, e, portanto, um nível adequado foi utilizado na liga da presente invenção visando tais propriedades.

[0064] Níquel: Aços com níquel são mais facilmente tratados ter-micamente porque o níquel diminui a taxa de resfriamento crítica. Em combinação com o cromo, o níquel produz aços com maior temperabilidade, superior resistência ao impacto e maior resistência à fadiga do que pode ser obtida em aços carbono, e, portanto, um nível adequado foi utilizado na liga da presente invenção visando tais propriedades.

[0065] Cobre: Em quantidades apreciáveis é prejudicial para as operações de trabalho a quente. É prejudicial para a qualidade da su- perfície e exagera os defeitos superficiais inerentes a aços ressulfura-dos. O cobre é, no entanto, benéfico para a resistência à corrosão atmosférica, quando presentes em quantidades superiores a 0,20%, o que justifica a sua concentração máxima definida para a liga da presente invenção.

[0066] Alumínio: Conforme já esclarecido na explicação do uso do silício, de todos os elementos de liga, o alumínio é o mais eficaz no controle do crescimento dos grãos antes da têmpera. Quando adicionado ao aço em quantidades especificadas, ele controla o crescimento do grão austenítico em aços reaquecidos.

[0067] Mais especificamente, à temperatura de austenitização usada para tratamento térmico, o alumínio combina com o nitrogênio dissolvido no aço para formação de nitretos de alumínio. As partículas de nitreto de alumínio inibem o crescimento dos grãos de austenita, e, portanto, a presença de alumínio na presente liga se faz necessária.

[0068] Titânio: dependendo da concentração de titânio contida em liga, o mesmo age como refmador do tamanho de grão da composição, e protege o produto final do efeito deletério da formação de Nitreto de Alumínio, através da formação preferencial de Nitreto de Titânio que, além de refinar o tamanho de grão, se dispersa em partículas "finas" aumentando a assim resistência do aço. Logo, a presente liga se utiliza de titânio procurando estes efeitos.

[0069] Assim, esclarece-se que a composição da liga da presente invenção reúne os elementos supracitados em concentrações que permitem uma perfeita coesão entre suas propriedades, permitindo assim a obtenção de um aço de baixa-liga com alta resistência à fadiga e desejáveis demais resistências mecânicas. 2. Previsão Computacional das Propriedades Mecânicas [0070] Durante o desenvolvimento da liga da presente invenção, julgou-se importante adquirir informações prévias sobre quais seriam as propriedades mecânicas a se esperar de testes e ensaios reais, além de obter informações indicativas da melhoria a se obter frente às ligas do estado da técnica.

[0071] Para a obtenção destas informações, foram realizados ensaios computacionais de fabricação da liga da presente invenção, utilizando-se o software SteCal 3.0®. Tal software prevê propriedades mecânicas obtidas a partir de determinado tratamento térmico de aços baixa liga, e calcula os parâmetros e propriedades representativas do comportamento destes aços com base nas rotinas de cálculo mais eficazes e precisas disponíveis.

[0072] Nos testes computacionais, utilizou-se uma composição de liga intermediária aos valores extremos dos intervalos definidos para a liga da presente invenção.

[0073] Os valores iniciais foram definidos a partir de um valor mínimo estabelecido, levando em conta a concentração mínima que atende os requisitos necessários na contribuição particular do elemento químico. A partir daí, a média e o máximo foram estabelecidos, levando em conta a menor variabilidade possível de ser mantida (capa-bilidade do processo físico-químico interno), bem como eventuais problemas técnicos (ou econômicos) resultantes de um limite máximo demasiadamente alto). A liga intermediária se apresenta como segue: Elemento C Mn Si P S Cr Mo Ni Al Comp % 0,240 1,000 0,475 0,017 0,017 0,600 0,500 1,900 0,035 [0074] Outros dados de "input" utilizados para o teste: [0075] - tamanho de grão ASTM 6;

[0076] - meio de resfriamento: água;

[0077] - tempo de revenimento: 3h.

[0078] Os testes computacionais retornaram os resultados ilustrados na tabela abaixo: Revenido de Endurecimento Endurecimento completo: Hq · Hm»46.0HRC Tempo: Jb τ h«c m urs ys el C MRi Wl % «0 38.0 370 1)90 tft» 10 425 MS 355 1« »0 11 450 »345 tOSO «0 12 475 36.0 350 1110 800 11 500 ®S 345 1100 010 12 525 345 340 1070 880 12 550 335 33S 1050 «0 13 575 35Λ 325 « §30 13 600 32A315 »0 «0 14 625 3βϋ 300 950 750 15 650 2§Λ 280 900 710 16 675 26 0 275 969 670 17 700 240 300 S30 630 17 [0079] Na tabela de resultados acima, a primeira coluna contém "T" e "C", que indicam as temperaturas de revenimento testadas em graus celsius. O intervalo testado foi de 400°C a 700°C.

[0080] A segunda e a terceira colunas são os resultados de dureza obtidos, respectivamente, na escala Rockwell (HRC) e Vickers (HV). A quarta coluna mostra os resultados do limite de resistência à tração em Megapascal (UTS, MPa), a quinta coluna mostra o limite de escoamento também em Megapascal (YS, MPa) e a sexta coluna mostra a porcentagem de alongamento sofrida (EL, %).

[0081] A partir do teste computacional, também foram obtidos parâmetros base para tratamento térmico, conforme tabela abaixo: [0082] Após obter os resultados computacionais, tem-se uma base de resultados que define qual deve ser a expectativa quando dos testes reais. Ademais, também foi possível obter dados que serviram de base para definir os parâmetros dos tratamentos térmicos reais a serem feitos, como por exemplo a temperatura de austenitização (por volta de 885°C). 3. Fundição e Foriamento [0083] Anteriormente aos esclarecimentos relativos aos tratamentos térmicos aos quais a liga da presente invenção é submetida, é importante comentar sobre o processo de obtenção do aço propriamente dito, em sua geometria tratável.

[0084] Cumpre notar que um aço dotado da liga da presente invenção pode ser obtido por processo de fundição, e também com posterior forjamento, e aços obtidos através de ambos os processos se beneficiarão igualmente das características particulares da liga proposta. Dito isso, a fundição é um processo mais adequado para obtenção de geometrias complexas e que devem ser obtidas em blocos inte- grais, especialmente quando há complexidade interna, tais como os componentes do sistema de choque e tração dos vagões ferroviários, enquanto o forjamento é mais indicado para obtenção de peças de geometria mais simples.

[0085] Ainda, os produtos de aço fundido não apresentam os efeitos de direcionalidade nas propriedades mecânicas, típicos de aços forjados. Esta característica "não direcional" das propriedades mecânicas podem ser vantajosas quando as condições de serviço envolvem carregamento multidirecional.

[0086] Desta forma, o desenvolvimento e os testes realizados para a liga da presente invenção foram baseados em aços fundidos, para refletir os resultados de um componente real e comercializável do sistema de choque e tração. 4. Tratamento Térmico [0087] Como se pode perceber após os esclarecimentos postos relativos à composição da liga da presente invenção, durante o desenvolvimento da presente invenção houve não só a preocupação de obter uma liga que forneça um aço de boas propriedades mecânicas, mas também que apresente boa temperabilidade, baixa fragilidade ao revenido, e menor tendência ao trincamento. Assim, é possível garantir a qualidade do produto final não só pela sua composição, mas também por seu processo produtivo.

[0088] A grande maioria dos aços fundidos carbono, baixa liga e alta liga, produzidos hoje são tratados termicamente antes de colocados em serviço, visando aprimorar propriedades mecânicas particulares, resistência à corrosão, entre outras características. O tipo particular de tratamento depende tanto do tipo de liga como das condições de serviço pretendidas.

[0089] De maneira geral, o tratamento térmico é uma operação envolvendo aquecimento a uma temperatura elevada seguida por res- friamento controlado, com o propósito de obter microestruturas particulares e respectivas combinações de propriedades. Os elementos essenciais de qualquer tratamento térmico são o ciclo de aquecimento, tempo e temperatura de permanência, e o ciclo de resfriamento.

[0090] Nos testes de tratamento térmico da liga da presente invenção, utilizou-se substancialmente a mesma composição de liga intermediária utilizada nos testes computacionais, com a adição dos elementos químicos adicionais que compõem a liga final, conforme se segue: 4.1. Normalização [0091] A normalização refere-se ao tratamento térmico de homogeneização para o aço, seguido por resfriamento ao ar. A temperatura de normalização depende da concentração de carbono. O objetivo deste tratamento, especificamente para a liga da presente invenção, é o de refinar a estrutura do grão e reduzir a segregação de carbono que pode ter ocorrido durante a solidificação decorrente da fundição do aço, dissolvendo fases secundárias como carbonetos, e produzindo uma estrutura homogênea. Após um tempo suficiente para que a liga se transforme completamente em Austenita, o tratamento é encerrado pelo resfriamento ao ar.

[0092] Para a normatização do aço contendo a liga da presente invenção, utilizou-se uma temperatura de 910°C por um período de 2 horas e 15 minutos, seguida de resfriamento à temperatura ambiente. 4.2. Têmpera [0093] O tratamento por têmpera é utilizado para aumentar a dureza do aço tratado. A peça é austenitizada a temperaturas acima da temperatura crítica superior e depois arrefecida rapidamente para evitar a formação de ferrita e perlita. Pelo endurecimento por têmpera, é possível acelerar o resfriamento partindo da temperatura de austeniti-zação, e controlar a transformação da austenita para bainita e marten-sita com o propósito de atingir maiores resistências e durezas.

[0094] Após simulação computacional e teste prático, definiu-se uma temperatura ideal de 900°C de austenitização por um período de 2 horas e 15 minutos, sendo que a têmpera foi realizada em água a uma temperatura máxima de 38°C. Neste tocante, cumpre notar que a simulação recomenda um mínimo de 885Ό para temperatura de austenitização, mas existe um tempo entre a retirada do Forno e a Imersão na Têmpera. Para que a temperatura não caia abaixo de 885Ό nesta transição, a temperatura foi ligeiramente aumentada, para 900Ό. Não obstante, cumpre notar que a temperatura utilizada pode variar conforme necessidade de processo de tratamento, caso necessário. 4.3. Revenido [0095] O revenido é o processo de aquecimento de um aço endurecido até uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior, de modo a conseguir algum amolecimento, e em seguida resfriá-lo até à temperatura ambiente. O objetivo de um tratamento de revenido é o de reduzir a dureza e aliviar algumas das tensões, a fim de obter uma maior ductilidade do que as disponíveis em peças somente temperadas.

[0096] O revenido altera a estrutura da martensita, e esta mudança pode ser usada para ajustar a resistência, dureza, tenacidade e outras propriedades mecânicas aos níveis especificados.

[0097] Após sucessivos testes com diferentes temperaturas e tempos de permanência, definiu-se, para obtenção de melhora em características mecânicas desejadas em materiais ferroviários do sistema de choque e tração em geral, uma faixa de temperatura de 400°C a 700°C por um período de tempo entre 1 hora e 5 horas, o resfriamento ocorrendo em água a uma temperatura máxima de 38°C. Pode-se citar, como exemplo particularmente eficiente, uma temperatura de 560°C para revenido por um período de 3 horas, e em seguida resfriada. Em uma configuração alternativa, utiliza-se uma faixa de 530°C a 600°C por um período de tempo de 2h a 4h.

[0098] Após a definição dos parâmetros ideais de tratamento térmico, foram produzidos corpos de prova para realização de ensaios mecânicos e metalográficos. 5. Ensaios Mecânicos e Metaloqráficos 5.1. Ensaios de Tração [0099] Os ensaios de tração foram realizados em um equipamento Kratos (NS 3.109) com assistência digital, devidamente aferido, conforme norma ASTM A370. Os resultados obtidos para a liga da presente invenção correspondentes ao Limite de Resistência-LR (MPa), Limite de Escoamento-LE (MPa), Alongamento-AL (%) e Redução de Área-RA (%), podem ser visualizados na figura 1 sob a denominação "LIGA".

[00100] Para melhor evidenciar as melhoras obtidas a partir do desenvolvimento da liga da presente invenção, realizou-se também ensaios em um aço grau "E" padrão, cujos resultados são apresentados no mesmo gráfico, sob a denominação "E". Cumpre notar, ainda, que todos os resultados obtidos para a liga da presente invenção no ensaio de tração se mantiveram dentro das especificações dispostas pela AAR-M201. 5.2. Ensaios de Impacto Charpy [00101] Os ensaios de impacto Charpy com entalhe em V foram realizados em um equipamento Heckert (SN 33304), devidamente aferido, conforme norma ASTM E-23, para a temperatura da amostra de -40Ό. Os resultados são vistos na figura 2 (valores de energia em Jou-le). Novamente, comparam-se os resultados obtidos pela liga da pre- sente invenção ("LIGA") com resultados obtidos pelo aço grau "E" padrão.

[00102] Como se pode perceber, houve um grande incremento da tenacidade, atingindo um valor médio de 40,8 J, não só estando dentro das especificações dispostas pela AAR, mas também a superando em muito. 5.3. Ensaios de Dureza [00103] Os ensaios de dureza foram realizados pela técnica Brinell, conforme norma ASTM A370, com o uso de um durômetro portátil Du-romak (Marktest). Os resultados podem ser vistos na figura 3, acompanhados de resultados obtidos para um aço grau E padrão.

[00104] Como pode ser visto, a liga da presente invenção ultrapassa seus correspondentes Limites Máximos de Especificação dados pelo AAR para determinados componentes do sistema de choque e tração de vagões ferroviários (311 HB para Engates e Braçadeiras, e 291 HB para Mandíbulas).

[00105] Os valores de dureza subiram significativamente, acompanhando os aumentos do Limite de Resistência e do Limite de Escoamento. Cumpre notar, ainda, que dada a preservação tanto da ductili-dade como da tenacidade em limites aceitáveis (verificadas no ensaio de tração), não se entendem os maiores valores de dureza como um problema, mas sim como uma característica positiva deste novo material. 5.4. Metaloqrafia [00106] As análises micrográficas foram realizadas com a utilização de um microscópio ótico Olympus (GX51), digitalmente assistido. Os resultados de amostras atacadas com Nital a 2% e 5%, ampliadas em 500x, constam na figura 2.

[00107] A avaliação do tamanho de grão austenítico foi realizada conforme ASTM E-112, ataque com Picral, oxidação a 885°C durante 30 min, e ampliação 500x.

[00108] As microestruturas típicas para um aço "E" padrão podem ser vistas na figura 4, enquanto as microestruturas da liga da presente invenção podem ser vistas na figura 5.

[00109] A estrutura da composição da liga da presente invenção apresenta-se completamente como Martensita revenida, em contraste ao aço E convencional, que apresenta também ferrita acicular. Isto evidencia a maior temperabilidade das novas composições testadas.

[00110] O tamanho de grão austenítico foi também avaliado conforme ASTM E-112, situando-se entre 10 e 11 ASTM, condizente com a chamada "prática de grãos finos" ou seja, aços produzidos no FEA e desoxidados ao alumínio, como pode ser observado na figura 7 e na tabela abaixo, correspondente à liga da presente invenção.

[00111] A figura 6, por sua vez, mostra o tamanho de grão austenítico de um aço grau Έ" padrão, e a tabela abaixo mostra o tamanho de grão correspondente a este tipo de aço.

[00112] Cumpre notar, ainda, que o tamanho de grão austenítico apresentou-se mais refinado do que o valor utilizado nas simulações computacionais (ASTM 6). Desta forma, as propriedades mecânicas reais se apresentam superiores às previstas na simulação computacional, beneficiadas pelo maior refinamento dos grãos. 5.5. Inspeção por Partículas Magnéticas (Ensaio não destrutivo) [00113] A inspeção por partículas magnéticas é usada em fundidos de aço altamente tensionados para detecção de descontinuidades superficiais e subsuperficiais. Este ensaio consiste na aplicação de um campo magnético no interior da peça, e este campo, quando na presença de descontinuidades, sofre desvios, sendo deslocado para a superfície e gerando campos de fuga. Partículas magnéticas fluorescentes tenderão a acumular-se nestes campos de fuga, produzindo uma indicação visual na superfície da peça, que então podem ser facilmente mapeados.

[00114] A técnica de magnetização aplicada neste projeto, conforme norma ASTM E 709 utiliza um equipamento Fluxotec com eletrodos (também conhecidos como pontas), que apoiados na superfície permitem a passagem de corrente elétrica pela peça. O campo magnético criado é circular, onde as linhas de força circulam através da peça em circuito fechado. É usada para a detecção de descontinuida-des longitudinais.

[00115] As partículas magnéticas fluorescentes são aplicadas por via úmida. As Figuras 8 e 9 ilustram uma descontinuidade revelada durante o ensaio de partículas magnéticas fluorescentes e uma trinca na cauda de um modelo de um dos engates de vagão ensaiados, ambos em aço E convencional, respectivamente.

[00116] O ensaio de partículas magnéticas foi realizado também num aço contendo a liga da presente invenção, e a mesma apresentou resultados superiores em relação à suscetibilidade a trincas durante o tratamento térmico, e ainda uma melhora em sua temperabilidade.

[00117] A figura 12 mostra o resultado do teste de quantidade média de descontinuidades aplicado à liga da presente invenção em comparação com um aço E, para braçadeiras e engates ferroviários. A figura 13 mostra os valores obtidos de comprimento total médio das descontinuidades encontradas no teste da figura 12 (valores em mm). Como se pode observar, a liga da presente invenção confere ao aço propriedades superiores neste quesito. 5.6. Ensaios de Fadiga por Flexão Rotativa [00118] Sendo a resistência à fadiga uma das principais propriedades buscadas no desenvolvimento da presente invenção, avaliou-se, através de ensaios, tanto o comportamento em fadiga do aço grau E convencional, quanto o comportamento da liga da presente invenção, para comparação de resultados.

[00119] Os ensaios foram conduzidos utilizando-se um equipamento Fatigue Dynamics modelo RBF-200 (Fig. 3.43), em condições de carregamento totalmente reverso (R = -1), e utilizando-se 20 corpos de prova em aço grau E regular e 20 corpos de prova em aço liga da presente invenção, conforme norma ASTM E466-07.

[00120] Os ensaios são iniciados submetendo-se um corpo de prova ao ciclo de tensões, sob uma amplitude máxima de tensão relativamente grande (geralmente da ordem de dois terços do Limite de Resistência), e o número de ciclos (Nf) até a falha é contado.

[00121] Esse procedimento é repetido para os demais corpos de prova, empregando-se amplitudes máximas de tensão (Sa) sucessivamente menores, até a detecção do chamado Limite de Resistência à Fadiga, abaixo do qual a falha por fadiga não irá ocorrer. Foram considerados como "vida infinita" valores iguais ou superiores a 107 ciclos, onde os ensaios eram interrompidos sem falha da amostra.

[00122] Os dados foram então plotados conforme a norma ASTM E739-10, empregando-se um modelo linear do tipo Y = A + BX, onde Ύ" é o logaritmo do número de reversões (2Nf, ou seja, duas vezes o número de ciclos), e "X" o logaritmo da amplitude máxima de tensão (Sa).

[00123] Tradicionalmente, o comportamento em fadiga observado por este ensaio é plotado como uma função da tensão cíclica aplicada. Isto resulta na chamada curva S-N.

[00124] Os resultados do ensaio para o aço grau Έ" são apresentados na tabela abaixo: [00125] Os resultados do ensaio para o aço composto da liga da presente invenção são apresentados na seguinte tabela: [00126] A plotagem das curvas do aço Έ" e do aço composto da liga da presente invenção são apresentados nas figuras 10 e 11, respectivamente, sendo a abcissa o logaritmo do número de reversões (2Nf), e a ordenada o logaritmo da amplitude máxima de tensão (Sa), sendo ainda os pontos de "runout" os limites de resistência à fadiga e os pontos de "failure" os pontos de falha.

[00127] Avaliando-se as curvas S-N obtidas, vê-se claramente o deslocamento da curva correspondente ao aço composto da liga da presente invenção à direita, em relação ao aço E, assim como a elevação do Limite de Fadiga. Conclui-se que o comportamento da liga da presente invenção é superior ao aço E convencional.

[00128] Tendo sido apresentados os testes realizados para a liga da presente invenção, torna-se claro que, além da presente liga atender a todas as especificações recomendadas pela AAR, a mesma ainda supera diversas delas com grande margem. Todos os testes realizados refletem a superioridade da liga da presente invenção frente ao aço grau "E" padrão, esclarecendo assim que a liga em questão apresenta melhoras significativas frente ao que é compreendido pelo estado da técnica. Especificamente, percebe-se que o objetivo de melhora da resistência à fadiga da liga da presente invenção é alcançado.

[00129] Ademais, a liga da presente invenção apresenta concentrações ideais de elementos para melhora de sua temperabilidade e resistência à corrosão que não se encontram nas ligas reveladas pelo estado da técnica.

[00130] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Liga de aço para componentes ferroviários caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem de peso, 0,21 a 0,27 de carbono, 0,80 a 1,20 de manganês, 0,35 a 0,60 de silício, até 0,02 de fósforo, até 0,02 de enxofre, 0,55 a 0,65 de cromo, 0,45 a 0,55 de molibdênio, 1,75 a 2,05 de níquel, e 0,005 a 0,030 de titânio.

2. Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem de peso, até 0,30 de cobre.

3. Liga de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem de peso, de 0,020 a 0,050 de alumínio.

4. Liga de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o equilíbrio é substancialmente ferro e impurezas.

5. Processo de obtenção de uma liga de aço para componentes ferroviários tal como a definida na reivindicação 1, compreendendo as seguintes etapas: Etapa i) fundição da liga; Etapa ii) tratamento de normalização; Etapa iii) tratamento de têmpera; e Etapa iv) tratamento de revenido; o processo sendo caracterizado pelo fato de na etapa iv) o revenido ocorre a uma temperatura de 400°C a 700°C durante um tempo de 1 hora a 5 horas.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que na etapa ii) a normalização ocorre a uma temperatura de 910°C durante um tempo de 2 horas e 15 minutos, o resfriamento ocorrendo à temperatura ambiente.

7. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, carac- terizado pelo fato de que na etapa iii) a têmpera ocorre a uma temperatura de 900°C por um período de tempo de 2 horas e 15 minutos, o resfriamento ocorrendo a uma temperatura máxima de 38°C.

8. Processo de acordo com a reivindicação 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que na etapa iv) o revenido ocorre entre 530°C e 600°C durante 2 horas a 4 horas.

9. Processo de acordo com a reivindicação 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que na etapa iv) o revenido ocorre a uma temperatura de 560°C por um período de 3 horas.

10. Processo de acordo com a reivindicação 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que, entre a etapa i) de fundição e a etapa ii) de tratamento de normalização, existe uma etapa intermediária de forjamento.