BR112013010042B1

BR112013010042B1 - aço para roda

Info

Publication number: BR112013010042B1
Application number: BR112013010042-7A
Authority: BR
Inventors: Yuichiro Yamamoto; Yukiteru Takeshita; Takanori Kato; Kentaro Kiriyama
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2018-12-26
Also published as: RU2013127519A; US20130243640A1; EP2641988B1; JP5494433B2; EP2641988A4; CN103221561A; AU2011330149A1; JP2012107295A; BR112013010042A2; CN103221561B; ES2784129T3; ZA201302864B; CA2812905A1; CA2812905C; WO2012067237A1; AU2011330149B2; HK1187082A1; EP2641988A1; RU2704755C2

Abstract

aço para roda. trata-se de um aço para roda que tem uma composição química que consiste em, em percentual em massa, c: 0,65 a 0,84%, si: 0,02 a 1,00%, mn: 0,50 a 1,90%. cr: 0,02 a 0,50%, v: 0,02 a 0,20%, e s: 0,04% ou menos, em que 34 <243> 2,7 + 29,5 x c + 2,9 x si + 6,9 x mn + 10,8 x cr + 30,3 x mo + 44,3 x v <243> 43, e 0,76 x exp (0,05 x c) x exp (1,35 x si) x exp (0,38 x mn) x exp (0,77 x cr) x exp (3,0 x mo) x exp (4,6 x v) <243> 25, sendo que o saldo é fe e impurezas, e em que as impurezas contém p: 0,05% ou menos, cu: 0,20% ou menos e ni: 0,20% ou menos. esse aço para roda é excelente no equilíbrio entre a resistência a desgaste, a resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento, e pode conferir uma longa vida á roda.

Description

“AÇO RARA RODA”

CAMPO DA TÉCNICA [0001] A presente invenção refere-se a aço para roda. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um aço para roda que é adequado como um material para uma roda de alta dureza para via férrea, sendo que o material é excelente em resistência a desgaste, resistência à fadiga de contato de rolamento e resistência a lascamento.

[0002] O lascamento é um fenômeno em que uma porção de roda, quando aquecida e rapidamente resfriada por frenagem emergencial ou similares, é transformada em martensita frágil denominada como uma camada branca, a partir da qual uma craqueamento se propaga, e a camada branca é submetida à fenda de fragilidade e é destacada. Esse fenômeno também é denominado craqueamento térmico em alguns casos.

TÉCNICA ANTERIOR [0003] Nos anos recentes, com um aumento mundial da distância de percurso e da capacidade de carregamento, uma roda para via férrea (doravante, também denominado como uma roda) que tem uma vida útil mais longa do que anteriormente tem sido demandada.

[0004] Há três fenômenos que causa principalmente danos a uma roda: (i) desgaste, (ii) fadiga de contato de rolamento e (iii) lascamento. Especialmente nos anos recentes, um número crescente de rodas foi danificado por desgaste resultante do aumento na distância de percurso e por fadiga de contato de rolamento resultante do aumento na capacidade de carregamento. A fadiga de contato de rolamento é, por vezes, denominada escamação. Embora o craqueamento causado pelo lascamento também seja denominado escamação em alguns casos, nesta descrição, a geração de craqueamento causada pela formação de camada branca é definida como lascamento.

[0005] Empiricamente, sabe-se que a resistência a desgaste e a resistência à fadiga de contato de rolamento são propriedades que são incompatíveis com a resistência a lascamento. É uma necessidade latente

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2/32 desenvolver um aço para roda que seja excelente no equilíbrio entre a resistência a desgaste, resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento, e que possa conferir uma longa vida à roda.

[0006] Por exemplo, Documentos de Patente 1 a 7 apresentam técnicas referentes a uma roda.

[0007] O Documento de Patente 1 apresenta um aço para roda de via férrea de alta robustez que contém V.

[0008] O Documento de Patente 2 apresenta uma roda de rebordo ou monobloco para um conjunto de roda de material rodante ferroviário que seja excelente em resistência a desgaste, resistência a fendimento e resistência à craqueamento térmico.

[0009] O Documento de Patente 3 apresenta uma roda para material rodante em que o teor de C é diminuído, e a parte de sulco da mesma tem uma estrutura composta por estrutura bainítica, estrutura martensítica temperada ou uma estrutura mista de bainita e martensita temperada, através da qual tanto a resistência à escamação quanto a resistência a lascamento que funcionam como a resistência à craqueamento térmico são melhoradas.

[00010] O Documento de Patente 4 apresenta uma roda de veículo ferroviário de alto carbono dotada de excelente resistência a desgaste e resistência à craqueamento térmico em que o teor de C é aumentado para 0,85 a 1,20%.

[00011] O Documento de Patente 5 apresenta uma roda para material rodante excelente em resistência a desgaste e resistência à craqueamento térmico de um tipo de monobloco formado de aço dotado de uma composição química que consiste em C: 0,4 a 0,75%, Si: 0,4 a 0,95%, Mn: 0,6 a 1,2%, Cr: mais do que 0% e menos do que 0,2%, P: 0,03% ou menos, e S: 0,03% ou menos, sendo que o saldo é Fe e impurezas, em que a região pelo menos até uma profundidade de 50 mm da superfície de uma parte de sulco da roda é formada por uma estrutura perlítica, e o documento também apresenta a produção da roda.

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3/32 [00012] Os Documentos de Patente 6 e 7 apresentam aços de roda de via férrea em que a resistência é aumentada e a resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento são melhoradas contendo 0,01 a 0,12% e 0,009 a 0,013%, respectivamente, de Nb.

[Documento de Patente 1] JP50-104717A [Documento de Patente 2] JP2001-158940A [Documento de Patente 3] JP2005-350769A [Documento de Patente 4] JP2004-315928A [Documento de Patente 5] JP9-202937A [Documento de Patente 6] US7559999A [Documento de Patente 7] US7591909A

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Problemas a serem solucionados pela invenção [00013] O aço apresentado no Documento de Patente 1 tem uma baixa dureza devido ao fato de que o teor de C do mesmo é tão baixo quanto 0,50 a 0,60%. Portanto, esse aço não tem resistência à fadiga de contato de rolamento suficiente e não pode responder ao aumento recente na capacidade de carregamento.

[00014] O aço apresentado no Documento de Patente 2 tem uma baixa dureza devido ao fato de que o teor de C do mesmo é tão baixo quanto 0,45 a 0,55%. Portanto, esse aço também não tem resistência à fadiga de contato de rolamento suficiente e não pode responder ao aumento recente na capacidade de carregamento.

[00015] A roda apresentada no Documento de Patente 3 é uma roda em que a parte de sulco da mesma tem uma estrutura composta por estrutura bainítica, estrutura martensítica temperada ou uma estrutura mista de bainita e martensita temperada. Portanto, apesar de sua alta resistência, a resistência a desgaste é menor do que no caso em que a parte de sulco é formada por estrutura perlítica, e é difícil obter resistência a desgaste maior do que aquela de um material de roda para um vagão convencional. Ou seja, quando

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4/32 comparada à estrutura perlítica que é excelente em propriedade de encruamento e mostra adicionalmente um comportamento em que a lamela da mesma é redisposta em paralelo à superfície à medida que a quantidade de desgaste aumenta, a estrutura bainítica e a estrutura martensítica temperada fornecem uma grande quantidade de desgaste (por exemplo, consulte Sadahiro Yamamoto, Technique for Improving Wear Resistance of Steel by Structure Control Structure Control Technique for Wear-Resistant Steel having Weldability 161 st162nd Nishiyama Memorial Seminar, Heisei 8o ano, editado por The Iron and Steel Institute of Japan, página 221).

[00016] O aço para a roda apresentada no Documento de Patente 4 tem dificuldade de ser aplicado a uma roda fabricada pelo tratamento único à roda denominado um processo de têmpera de sulco. A Figura 1 é uma vista esquemática de uma roda de monobloco mostrada como um exemplo de roda. No caso de roda, após toda a roda ter sido aquecida, o tratamento térmico para resfriar a parte de rebordo da mesma a partir da superfície externa da roda é realizado para produzir uma tensão residual compressiva à parte de rebordo. Nesse tratamento de resfriamento, a parte de rebordo e os arredores da mesma são resfriados rapidamente, porém, a parte de cubo da mesma sofre com baixa taxa de resfriamento. Portanto, no caso em que o aço para a roda apresentada neste Documento de Patente é termicamente tratado pelo processo de têmpera de sulco, a cementita hipereutetoide pode ser precipitada no limite de grão de austenita da parte de cubo. A cementita hipereutetoide atua da mesma maneira que inclusões grossas, e reduz grandemente a robustez e a vida de fadiga (por exemplo, consulte Takayoshi Murakami, Influence of Minute Defects and Inclusions (2004), página 182 Yokendo).

[00017] A roda apresentada no Documento de Patente 5 pode ter dureza insuficiente. Portanto, essa roda nem sempre tem a capacidade de responder ao aumento recente na capacidade de carregamento.

[00018] O aço de roda de via férrea apresentado no Documento de Patente 6 contém tanto quanto 0,20 a 0,30% de Mo. Portanto, uma estrutura

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5/32 que tem baixa resistência a desgaste, como estrutura bainítica ou estrutura perlítica degenerada é possivelmente produzida, para que seja difícil obter uma boa resistência a desgaste. Além disso, esse aço sempre contém 0,01 a 0,12% de Nb. No aço que contém Nb, as inclusões grossas podem ser formadas para que as inclusões grossas reduzam extremamente a robustez e a vida de fadiga de modo similar à cementita hipereutetoide descrita acima.

[00019] De modo similar, o aço de roda de via férrea apresentado no Documento de Patente 7 sempre contém 0,009 a 0,013% de Nb. Conforme descrito acima, no aço que contém Nb, inclusões grossas podem ser formadas para que as inclusões grossas reduzam extremamente a robustez e a vida de fadiga de modo similar à cementita hipereutetoide.

[00020] A presente invenção foi realizada para solucionar os problemas descritos acima e, consequentemente, é um objetivo da mesma fornecer um aço para roda que seja excelente no equilíbrio entre a resistência a desgaste, resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento e que possa conferir uma longa vida à roda.

Meios para Solucionar os Problemas [00021] Os presentes inventores conduziram diversos estudos sobre a resistência a desgaste, resistência à fadiga de contato de rolamento e resistência a lascamento e, como resultado, constataram os seguintes itens (a) a (c).

(a) A resistência a desgaste aumenta quando a estrutura de material de aço é uma estrutura perlítica e a dureza é aumentada.

(b) A resistência à fadiga de contato de rolamento aumenta quando a dureza é aumentada independente da estrutura.

(c) A resistência a lascamento aumenta quando a endurecibilidade é diminuída.

[00022] A partir dessas constatações, os presentes inventores chegaram a uma conclusão de que, afim de solucionar os problemas descritos acima, o aço em que a estrutura perlítica pode ser fornecida por têmpera de sulco

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6/32 e, além disso, a dureza é alta e a endurecibilidade é baixa somente precisa ser desenvolvido.

[00023] Posteriormente, um exemplo de estudos conduzidos pelos presentes inventores é explicado em detalhes.

[00024] Os presentes inventores avaliaram a influência de elementos na dureza e na endurecibilidade pelo teste Jominy de têmpera de extremidade (doravante, denominado como o teste Jominy) em que as condições de tratamento térmico do mesmo são similares àquelas da têmpera de sulco da roda real.

[00025] Em primeiro lugar, lingotes foram produzidos através da fusão de aços 1 a 24 dotados de composições químicas dadas na Tabela 1 em um forno a vácuo na escala laboratorial.

[00026] Em seguida, para cada um dos aços, uma barra redonda com 35 mm de diâmetro, uma barra redonda com 160 mm de diâmetro e uma barra redonda com 70 mm de diâmetro foram produzidas a partir do lingote através de forjamento a quente.

[00027] Além disso, para o aço 1, uma barra redonda com 220 mm de diâmetro também foi produzida para preparar um espécime de teste de trilho para a teste de fadiga de contato de rolamento posteriormente descrito.

[00028] O aço 1 na Tabela 1 corresponde a um aço de roda de via férrea de Classe C em padrões M-107/M-207 de AAR (Associação de Ferrovias Americanas).

Tabela 1

Aço	Composição química (% em massa) Saldo: Fe e impurezas
C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Al
1	0,69	0,29	0,82	0,013	0,007	0,01	0,02	0,08	0,01	0,01	0,056
2	0,69	0,80	0,76	0,011	0,007	-	0,03	0,10	0,01	0,01	0,050
3	0,70	0,82	0,82	0,004	0,008	-	0,04	0,09	0,01	0,10	0,034
4	0,77	0,83	0,82	0,004	0,007	-	0,04	0,09	0,01	0,09	0,036
5	0,86	0,85	0,83	0,004	0,008	-	0,04	0,10	0,01	0,01	0,037
6	0,88	0,50	0,61	0,004	0,008	-	0,04	0,25	0,01	0,01	0,034
7	0,74	0,80	0,39	0,004	0,008	-	0,04	0,45	0,01	0,09	0,033
8	0,71	0,79	0,77	0,014	0,007	0,01	0,02	0,10	0,01	0,09	0,036
9	0,80	0,78	0,76	0,014	0,006	0,01	0,02	0,10	0,01	0,09	0,039
10	0,63	0,79	0,79	0,014	0,009	0,01	0,02	0,10	0,01	0,09	0,037
11	0,72	0,23	0,18	0,003	0,001	0,01	0,01	-	0,01	-	0,031

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12	0,72	0,25	0,77	0,003	0,001	0,01	0,01	0,19	0,01	-	0,021
13	0,76	0,25	0,78	0,003	0,001	0,01	0,01	-	0,09	-	0,031
14	0,75	0,25	0,79	0,004	0,001	0,01	0,01	-	0,20	-	0,035
15	0,74	0,23	0,74	0,003	0,001	0,01	0,01	-	0,01	0,09	0,026
16	0,74	0,79	0,80	0,004	0,001	0,01	0,01	-	0,01	0,05	0,034
17	0,75	0,86	0,79	0,004	0,001	0,01	0,01	0,15	0,15	-	0,041
18	0,75	0,81	0,82	0,003	0,001	0,01	0,02	0,42	0,07	0,07	0,023
19	0,74	0,65	0,82	0,004	0,001	0,01	0,02	0,54	0,11	-	0,032
20	0,74	1,10	0,82	0,003	0,001	0,01	0,01	-	0,01	-	0,041
21	0,74	0,23	2,10	0,004	0,001	0,01	0,01	-	0,01	-	0,038
22	0,73	0,25	0,81	0,003	0,001	0,01	0,01	-	0,01	0,21	0,028
23	0,75	0,79	0,83	0,003	0,001	0,01	0,02	0,82	0,18	-	0,026
24	0,74	0,84	0,82	0,004	0,001	0,01	0,02	0,54	0,25	0,08	0,031

[00029] Um espécime de teste Jominy foi amostrado a partir da barra redonda com 35 mm de diâmetro. O espécime de teste foi austenitizado a 900°C por 30 minutos na atmosfera e, posteriormente, foi submetido à têmpera de extremidade. Então, a medição de dureza de Rockwell C (doravante, também denominado como HRC) foi realizada através de um corte paralelo de 1,0 mm.

[00030] A HRC em uma posição a 40 mm de distância da extremidade de resfriamento de água (doravante, denominada como a dureza a 40 mm) foi medida e a influência de elementos no valor de medição foi avaliada. Como resultado, constatou-se que a dureza a 40 mm tem uma relação proporcional com Fn1 expressa pela Fórmula (1), conforme mostrado na Figura 2. Ademais, constatou-se que, similarmente aos aços 23 e 24, se Fn1 excede 43, a estrutura bainítica é formada pelo menos em uma porção, e a relação proporcional não se mantém.

[00031] O motivo pelo qual a HRC na posição a 40 mm de distância da extremidade de resfriamento de água foi medida é que a roda é fabricada através de usinagem após a têmpera de sulco. Além disso, o motivo para isso é que a roda que foi usada é subsequentemente reperfilada e é, por vezes, usada repetindo-se o trabalho reperfilado, e as propriedades de aço no interior dotado de uma dureza inferior àquela da superfície exerce uma grande influência na vida útil da roda.

[00032] Na Figura 2, o aço 1 correspondente ao aço de roda de via férrea de Classe C da AAR foi indicado por uma marca ^A. A estrutura foi decidida por observação sob um microscópio óptico através de polimento de

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8/32 espelho da posição a 40 mm de distância da extremidade de resfriamento de água e, posteriormente, através da corrosão daquela posição com nital.

Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 χ Mn + 10,8 x Cr + 30,3 χ Mo + 44,3 xV (1) em que C, Si, Mn, Cr, Mo e V significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento.

[00033] A Tabela 2 fornece o valor de medição da dureza a 40 mm e a Fn1 expressa pela Fórmula (1) que são colocadas em ordem.

[00034] A endurecibilidade foi avaliada, com base na dureza no caso em que a fração de estrutura martensítica descrita em padrões ASTM A255 era de 50%, medindo-se uma distância em unidades de milímetro da extremidade de resfriamento de água, sendo que, em tal distância, a fração de estrutura martensítica é de 50% (doravante, denominada M50%) da dureza de Jominy. Como resultado, constatou-se que a M50% é correlacionada à Fn2 expressa pela Fórmula (2), conforme mostrado na Figura 3. Também na Figura 3, o aço 1 foi indicado por uma marca ^A.

Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 χ Mn) x exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Mo) χ exp (4,6 χ V) (2) em que C, Si, Mn, Cr, Mo e V também significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento. O termo de exp (0,05 χ C) e similares referem-se a expressões exponenciais como e0,05xC. A letra e é uma constante matemática, número de Napier, e é usada como a base de logaritmo natural.

[00035] A Tabela 2 fornece o valor de medição da M50% e da

Fn2 expressa pela Fórmula (2) que são colocados em ordem.

Tabela 2

Aço	Dureza a	Fn1	M 50%	Fn2	Vida de	Quantidade
	40 mm		(mm)		fadiga de	de
	(HRC)				contato de rolamento (ciclo)	desgaste (g)

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1	31,1	31,2	5,6	5,1	1.830.898	0,320
2	32,3	32,4	8,3	10,1	2.191.425	0,312
3	36,6	37,1	13,6	16,0	3.283.349	0,268
4	39,3	38,7	16,5	15,5	4.453.779	0,242
5	38,6	38,1	10,6	11,2	4.114.188	0,241
6	37,3	37,8	6,3	7,2	3.675.793	0,249
7	38,9	38,7	14,2	16,7	4.342.381	0,225
8	37,8	36,6	16,2	14,5	3.688.978	0,247
9	39,6	39,2	15,7	14,3	4.480.886	0,241
10	35,0	34,4	15,5	14,6	2.867.978	0,279
11	25,4	26,2	3,8	3,3	814.399	0,384
12	32,6	32,3	4,6	5,0	2.138.325	0,312
13	34,1	34,0	4,5	5,5	2.583.220	0,286
14	37,2	37,1	6,8	7,7	3.602.246	0,253
15	35,8	34,6	5,4	6,3	3.089.949	0,263
16	34,8	34,9	9,2	11,3	2.785.571	0,279
17	38,9	38,9	15,0	16,8	4.258.560	0,242
18	42,1	42,6	21,8	21,3	5.621.775	0,201
19	41,0	41,2	16,5	15,4	5.092.738	0,223
20	32,4	33,7	14,9	13,8	2.085.608	0,327
21	39,7	40,0	7,1	6,9	4.587.370	0,227
22	38,7	40,2	11,2	11,4	4.266.610	0,235
23	42,5	47,2	29,7	28,5	5.892.201	0,314
24	42,6	49,6	46,9	43,7	5.675.736	0,312

Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 χ Μη + 10,8 x Cr + 30,3 χ Mo + 44,3 χ V Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 χ Μη) χ exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Μο) χ exp (4,6 χ V)... (2) [00036] Em seguida, os presentes inventores examinaram a relação entre a resistência à fadiga de contato de rolamento, a resistência a desgaste e a Fn1 expressa pela Fórmula (1) com o uso de aços 1 a 24 determinados na Tabela 1.

[00037] Ou seja, para cada um dos aços, após a barra redonda com 160 mm de diâmetro ter sido cortada em um comprimento de 100 mm, um espécime de teste foi produzido através de têmpera em óleo após o aquecimento a 900°C por 30 minutos.

[00038] Para os aços 1 a 24, em primeiro lugar, a partir da porção central do espécime de teste então produzida, um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 4(a) foi amostrado como uma espécime de teste de roda usada para o teste de fadiga de contato de rolamento.

[00039] Para o aço 1, após a barra redonda com 220 mm de

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10/32 diâmetro ter sido cortada em um comprimento de 100 mm, um espécime de teste foi produzido por têmpera em óleo após o aquecimento a 900°C por 30 minutos. A partir da porção central desse espécime de teste, um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 4(b) foi amostrado como um espécime de teste de trilho usado para o teste de fadiga de contato de rolamento.

[00040] Similarmente, para os aços 1 a 24, após a barra redonda com 70 mm de diâmetro ter sido cortada em um comprimento de 100 mm, um espécime de teste foi produzido por têmpera em óleo após o aquecimento a 900°C por 30 minutos. A partir da porção central desse espécime de teste, um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 5(a) foi amostrado como um espécime de teste de roda usado para o teste de desgaste.

[00041] Para o aço 1, um espécime de barra redonda com 70 mm de diâmetro que tem um comprimento de 100 mm foi produzido submetendoo a tratamento térmico similar àquele do espécime de teste de roda descrito acima e, a partir da porção central do mesmo, um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 5(b) foi amostrado como um espécime de teste de trilho usado para o teste de desgaste.

[00042] Em primeiro lugar, o teste de fadiga de contato de rolamento foi conduzido pelo método esquematicamente mostrado na Figura 6 com o uso dos espécimes de teste de roda mostrados na Figura 4(a) de aços 1 a 24 e o espécime de teste de trilho mostrado na Figura 4(b) de aço 1.

[00043] As condições do teste de fadiga de contato de rolamento eram representadas por Tensão hertziana: 1.100 MPa, razão de deslizamento: 0,28% e velocidade de rotação: 1.000 rpm na lateral da roda e 602 rpm na lateral do trilho, e o teste foi conduzido sob lubrificação por água. O teste foi realizado enquanto a aceleração foi monitorada com o uso de um acelerômetro de vibração, e o número de ciclos em que 0,5G foi detectado foi avaliado como a vida de fadiga de contato de rolamento. O motivo pelo qual 0,5G foi usado como base é que, como resultado da avaliação da relação entre a

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11/32 aceleração detectada e o estado danificado realizado por um teste preliminar, foi possível confirmar que uma parte da superfície de contato foi destacada aparentemente quando 0,5G foi excedido.

[00044] A Tabela 2 fornece adicionalmente a vida de fadiga de contato de rolamento. Além disso, a Figura 7 mostra a relação entre a vida de fadiga de contato de rolamento e a Fn1 expressa pela Fórmula (1).

[00045] Na Figura 7, 2.E+06 e similares significam 2,0 χ 106 e similares. Também na Figura 7, o aço 1 foi indicado por uma marca ^A.

[00046] Constatou-se que, conforme mostrado na Figura 7, a vida de fadiga de contato de rolamento é correlacionada à Fn1 expressa pela Fórmula (1) e, se Fn1 é 34 ou mais, a vida de fadiga de contato de rolamento aumenta em 40% ou mais quando comparada à vida de fadiga de contato de rolamento do aço 1 correspondente ao aço de roda de via férrea de Classe C da AAR.

[00047] Ademais, o teste de desgaste foi conduzido pelo método esquematicamente mostrada na Figura 8 com o uso dos espécimes de teste de roda mostrado na Figura 5(a) de aços 1 a 24 e o espécime de teste de trilho mostrado na Figura 5(b) do aço 1. Para o teste de desgaste, uma máquina de teste de desgaste do tipo Nishihara foi usada.

[00048] As condições de teste específicas eram representadas por Tensão hertziana: 2.200 MPa, razão de deslizamento: 0,8% e velocidade de rotação: 776 rpm na lateral da roda e 800 rpm na lateral do trilho. Após o teste ter sido realizado até um número de ciclos de 5 χ 105, a quantidade de desgaste foi determinada a partir da diferença em massa do espécime de teste antes e após o teste.

[00049] A Tabela 2 produz adicionalmente a quantidade de desgaste. Além disso, a Figura 9 mostra a relação entre a quantidade de desgaste e a Fn1 expressa pela Fórmula (1). Também na Figura 9, o aço 1 foi indicado por uma marca ^A.

[00050] Constatou-se que, conforme mostrado na Figura 9,

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12/32 desde que a estrutura seja uma estrutura perlítica, a quantidade de desgaste diminui em proporção à Fn1 expressa pela Fórmula (1) e, se Fn1 é 34 ou mais, a quantidade de desgaste diminui em 10% ou mais quando comparada à quantidade de desgaste do aço 1 e, portanto, a resistência a desgaste é melhorada.

[00051] Por outro lado, se Fn1 excede 43, a estrutura bainítica é formada pelo menos em uma porção, conforme descrito acima. É possível confirmar que, no caso em que a estrutura bainítica está contida, mesmo se Fn1 aumenta, a quantidade de desgaste não diminui, e a resistência a desgaste é menos satisfatória do que no caso da estrutura composta principalmente por pearlita.

[00052] Em Japan Railway & Technical Review, Volume 19 (2005) N° 9, página 17, Kanetaka et al. relatou que a espessura da camada bruscamente arrefecida denominada como uma camada branca aumenta, a profundidade de craqueamento aumenta e, portanto, o lascamento (embora tenha sido descrito como escamação na Review, significa lascamento) pode ocorrer potencialmente.

[00053] Consequentemente, os presentes inventores também conduziram estudos detalhados sobre a influência de endurecibilidade no lascamento.

[00054] A partir do relatório de Kanetaka et al., presume-se que, com um aumento na endurecibilidade, a espessura da camada branca aumenta e o craqueamento é iniciado para que a vida do lascamento seja diminuída. Portanto, os presentes inventores examinaram a relação entre a endurecibilidade e a vida de iniciação de craqueamento no caso em que a camada branca foi formada.

[00055] Especificamente, os espécimes de teste de roda têm, cada um, a configuração mostrada na Figura 4(a) dos aços 1, 2, 5, 11, 12 e 14 descritos na Tabela 1, e o espécime de teste de trilho que tem a configuração mostrada na Figura 4(b) do aço 1 foi usado. Uma camada branca espessa que

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13/32 leva ao lascamento foi formada na superfície de teste do espécime de teste de roda por YAG Laser e, subsequentemente, o teste de fadiga de contato de rolamento foi conduzido para examinar a vida de iniciação de craqueamento (resistência a lascamento). As condições de aquecimento por YAG Laser eram potência de saída de laser: 2.500 W e taxa de alimentação: 1,2 m/min, e o espécime de teste foi resfriado por ar após o aquecimento por laser.

[00056] As condições do teste de fadiga de contato de rolamento eram Tensão hertziana: 1.100 MPa, razão de deslizamento: 0,28% e velocidade de rotação: 100 rpm na lateral da roda e 60 rpm na lateral do trilho, e o teste foi conduzido sob lubrificação por água. Até que o número de ciclos alcançasse 2.000 ciclos, o teste foi interrompido a cada 200 ciclos e, no caso em que o número de ciclos excede 2.000 ciclos, o teste foi interrompido a cada 2.000 ciclos para verificar visualmente a presença de craqueamento na superfície do espécime de teste.

[00057] Como resultado, constatou-se que, conforme mostrado na Figuras 10 e 11, com um aumento em Fn2 expressa pela Fórmula (2) que é correlacionada à M50%, a qual é o índice de endurecibilidade, a espessura da camada branca aumenta e, consequentemente, a vida de iniciação de craqueamento diminui repentinamente.

[00058] Além disso, constatou-se que, quando Fn2 excede 25, a vida de iniciação de craqueamento diminui extremamente para tal grau em que o craqueamento pode ser notável mesmo na primeira inspeção visual (ou seja, na inspeção visual no momento em que o número de ciclos alcança 200 ciclos).

[00059] A partir dos resultados descritos acima, os presentes inventores concluíram que, se a composição química de aço é produzida de tal modo que a Fn2 expressa pela Fórmula (2) é 25 ou menos, é possível impedir que a vida de lascamento diminua extremamente.

[00060] A presente invenção foi concluída com base nas constatações descritas acima, e o fundamento da mesma é representado pelos aços para roda descritos nos itens a seguir (1) a (3).

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14/32 (1) O aço para roda que tem uma composição química que consiste em, em percentual em massa, C: 0,65 a 0.84%, Si: 0,02 a 1,00%, Mn: 0,50 a 1,90%, Cr: 0,02 a 0,50%, V: 0,02 a 0,20%, e S: 0,04% ou menos, em que Fn1 expressa pela Fórmula (1) é 34 a 43, e Fn2 expressa pela Fórmula (2) é 25 ou menos, sendo que o saldo é Fe e impurezas, em que as impurezas contêm P: 0,05% ou menos, Cu: 0,20% ou menos, e Ni: 0,20% ou menos.

Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 χ Mn + 10,8 x Cr + 30,3 χ Mo + 44,3 x V... (1)

Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 x Μη) χ exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Mo) χ exp (4,6 χ V)... (2) nas Fórmulas (1) e (2), C, Si, Mn, Cr, Mo e V significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento.

(2) O aço para roda descrito no item (1), em que 0,20% ou menos de Mo está contido no percentual em massa ao invés de uma parte de Fe.

(3) O aço para roda descrito no item (1) ou (2), em que 0,20% ou menos de Al está contido em percentual em massa ao invés de uma parte de Fe.

[00061] As impurezas aqui citadas são elementos que entram de modo misturado a partir do minério e do refugo usado como materiais em bruto para o aço, o ambiente do processo de fabricação ou similar quando o material de aço é fabricado industrialmente.

VANTAGEM DA INVENÇÃO [00062] O aço para roda, de acordo com a presente invenção, é excelente no equilíbrio entre a resistência a desgaste, a resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento, e pode conferir uma longa vida à roda. Especificamente, para a roda que usa o aço para roda, de acordo com a presente invenção, como um material, a quantidade de desgaste diminui em 10 a 35% e a vida de fadiga de contato de rolamento aumenta para 1,4 a 3,2 vezes quando comparada à roda que usa o aço de roda de via férrea de Classe C da AAR, e é menos provável que o lascamento ocorra. Portanto, o aço para roda, de acordo com a presente invenção, é extremamente adequado como um

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15/32 material para uma roda de via férrea usada em um ambiente com condições muito severas com distância de percurso aumentada e capacidade de carregamento aumentada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00063] A Figura 1 é uma vista esquemática para explicar uma roda de monobloco como um exemplo de roda.

[00064] A Figura 2 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre dureza a 40 mm, a qual é a dureza de Rockwell C em uma posição a 40 mm de distância da extremidade de resfriamento de água, e Fn1, que é expressa pela Fórmula (1), para aços 1 a 24. Nessa Figura, bainita indica que a estrutura bainítica é formada em porções de aço.

[00065] A Figura 3 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre M50%, a qual é a distância em unidades de milímetro a partir da extremidade de resfriamento de água, sendo que, em tal distância, a fração de estrutura martensítica é de 50% da dureza de Jominy, e Fn2, que é expressa pela Fórmula (2), para aços 1 a 24.

[00066] A Figura 4 apresenta vistas que mostram as configurações de um espécime de teste de roda e um espécime de teste de trilho usado no teste de fadiga de contato de rolamento, sendo que a Figura 4(a) mostra o espécime de teste de roda e a Figura 4(b) mostra o espécime de teste de trilho. Nessa Figura, as unidades de dimensões são mm.

[00067] A Figura 5 apresenta vistas que mostram as configurações de um espécime de teste de roda e um espécime de teste de trilho usados no teste de desgaste, sendo que a Figura 5(a) mostra o espécime de teste de roda e a Figura 5(b) mostra o espécime de teste de trilho. Nessa Figura, as unidades de dimensões são mm.

[00068] A Figura 6 é uma vista esquemática para explicar um método do teste de fadiga de contato de rolamento com o uso do espécime de teste de roda mostrado na Figura 4(a) e do espécime de teste de trilho mostrado na Figura 4(b).

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16/32 [00069] A Figura 7 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre a vida de fadiga de contato de rolamento e a Fn1 expressa pela Fórmula (1). Nessa Figura, bainita indica que a estrutura bainítica é formada em porções de aço.

[00070] A Figura 8 é uma vista esquemática para explicar um método do teste de desgaste com o uso do espécime de teste de roda mostrado na Figura 5(a) e do espécime de teste de trilho mostrado na Figura 5(b).

[00071] A Figura 9 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre a quantidade de desgaste e a Fn1 expressa pela Fórmula (1). Nessa Figura, bainita indica que a estrutura bainítica é formada em porções de aço.

[00072] A Figura 10 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre a espessura de uma camada branca e a Fn2 expressa pela Fórmula (2) para aços 1, 2, 5, 11, 12 e 14.

[00073] A Figura 11 é um gráfico que mostra sistematicamente a relação entre a vida de iniciação de craqueamento e a Fn2 expressa pela Fórmula (2) para aços 1, 2, 5, 11, 12 e 14.

[00074] A Figura 12 é uma vista para explicar um dispositivo usado em exemplos para submeter uma roda à denominada têmpera de sulco.

[00075] A Figura 13 é uma vista para explicar uma posição de medição de dureza Brinell de uma roda fabricada em exemplos.

[00076] A Figura 14 é uma vista para explicar uma posição em que a microestrutura da parte de rebordo de uma roda fabricada em exemplos foi examinada.

[00077] A Figura 15 é uma vista para explicar uma posição em que a microestrutura da parte de cubo de uma roda fabricada em exemplos foi examinada.

[00078] A Figura 16 é uma vista para explicar uma posição a partir da qual um espécime de teste de desgaste, um espécime de teste de fadiga de contato de rolamento e um espécime de teste Jominy foram amostrados a

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17/32 partir de uma roda fabricada em exemplos. O espécime de teste de desgaste, o espécime de teste de fadiga de contato de rolamento e o espécime de teste Jominy foram amostrados com base nas posições indicadas por a, b e c, respectivamente, nessa Figura.

MELHOR MODO PARA REALIZAR A INVENÇÃO [00079] As exigências da presente invenção são explicadas em detalhes. Um ideograma de % do teor de cada elemento significa percentual em massa.

C: 0,65 a 0,84% [00080] O carbono (C) aumenta a dureza e melhora a resistência a desgaste e a resistência à fadiga de contato de rolamento. Além disso, C é um elemento capaz de aumentar a dureza sem diminuir a resistência a lascamento devido ao fato de que o aumento em endurecibilidade resultante do aumento em teor é leve. Se o teor de C é menor do que 0,65%, uma dureza suficiente não pode ser obtida e, adicionalmente, a fração de área de ferrita aumenta para que a resistência a desgaste diminua. Por outro lado, se o teor de C teor excede 0,84%, a cementita hipereutetoide é formada na parte de cubo da roda para que a robustez e a vida de fadiga sejam diminuídas extremamente, o que é desfavorável em termos de segurança. Portanto, o teor de C era de 0,65 a 0,84%. O teor de C é preferencialmente 0,68% ou mais e também 0,82% ou menos.

Si: 0,02 a 1,00% [00081] Silício (Si) é um elemento que aumenta a dureza diminuindo-se os espaços entre as lamelas de pearlita e através de endurecimento por solução sólida da ferrita em estrutura perlítica. Se o teor de Si é inferior a 0,02%, o efeito descrito acima é insuficiente. Por outro lado, se o teor de Si excede 1,00%, a robustez diminui e, adicionalmente, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento também diminui. Portanto, o teor de Si era de 0,02 a 1,00%. O efeito crescente de dureza de Si não é muito significativo, portanto, grande parte do Si deve ser adicionada a fim de obter um aço de alta

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18/32 dureza. Consequentemente, a endurecibilidade é fácil de aumentar. Consequentemente, o teor de Si é preferencial mente 0,90% ou menos. O teor de Si é muito preferencialmente 0,50% ou menos, ainda mais preferencialmente 0,40% ou menos.

Mn: 0,50 a 1,90% [00082] Manganês (Mn) é um elemento que aumenta a dureza diminuindo-se os espaços entre as lamelas de pearlita e através de endurecimento por solução sólida da ferrita em estrutura perlítica. Ademais, Mn tem a ação de restringir a fragilização de limites de grão capturando-se S no aço para formar MnS. Se o teor de Mn é inferior a 0,50%, os efeitos descritos acima, especialmente o efeito de captura de S, são insuficientes. Por outro lado, se o teor de Mn excede 1,90%, a estrutura bainítica é formada e, desse modo, a resistência a desgaste é reduzida e, adicionalmente, a endurecibilidade aumenta e, então, a resistência a lascamento também é reduzida. Portanto, o teor de Mn era de 0,50 a 1,90%. O teor de Mn teor é preferencial mente 1,40% ou menos.

Cr: 0,02 a 0,50% [00083] O cromo (Cr) alcança um efeito de aumentar notavelmente a dureza da pearlita diminuindo-se os espaços entre as lamelas de pearlita. Se o teor de Cr é inferior a 0,02%, o efeito é insuficiente. Por outro lado, se o teor de Cr excede 0,50%, os carbonetos são menos capazes de formar uma solução sólida em austenita no momento de aquecimento e carbonetos não dissolvidos são formados dependendo das condições de aquecimento para que a dureza, a robustez, a resistência à fadiga e similares possam ser diminuídas. Além disso, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento diminui. Portanto, o teor de Cr era de 0,02 a 0,50%. O teor de Cr é preferencialmente 0,05% ou mais e também 0,45% ou menos.

V: 0,02 a 0,20% [00084] O vanádio (V) alcança um efeito de aumentar notavelmente a dureza de pearlita precipitando-se na ferrita em pearlita como carbonetos de V. Se o teor de V é inferior a 0,02%, o efeito é insuficiente. Por

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19/32 outro lado, mesmo se V tem um teor que excede 0,20%, através do tratamento térmico comum, a dureza é saturada e o custo é aumentado e, adicionalmente, a endurecibilidade é aumentado e a resistência a lascamento é diminuída. Portanto, o teor de V era de 0,02 a 0,20%. O teor de V é preferencialmente 0,03% ou mais e também 0,15% ou menos.

S: 0,04% ou menos [00085] O enxofre (S) é uma impureza contida no aço. Além disso, no caso em que S está contido positivamente, embora a influência na dureza e na endurecibilidade seja pequena, um efeito de melhora da usinabilidade é alcançado. Se o teor de S excede 0,04%, a robustez diminui. Portanto, o teor de S era de 0,04% ou menos. O teor de S é preferencial mente 0,03% ou menos. A fim de alcançar o efeito de melhorar a usinabilidade, o teor de S é preferencialmente 0,005% ou mais.

Fn1:34 a 43 [00086] Para o aço para roda, de acordo com a presente invenção, Fn1 expressa pela Fórmula (1) deve ser de 34 a 43.

Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 x Mn + 10,8 x Cr + 30,3 x Mo + 44,3 x V... (1) em que C, Si, Mn, Cr, Mo e V significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento.

[00087] Se Fn1 é menos do que 34, a resistência a desgaste e a resistência à fadiga de contato de rolamento são dificilmente melhoradas quando comparadas ao aço de roda de via férrea da Classe C da AAR e, em alguns casos, as resistências se tornam menores do que aquelas do aço de roda de via férrea da Classe C. Portanto, é difícil usar esse aço como o material para a roda de via férrea usada em um ambiente com condições muito severas com distância de percurso aumentada e capacidade de carregamento aumentada.

[00088] Por outro lado, se Fn1 excede 43, se torna menos possível que a estrutura composta principalmente por pearlita seja obtida e a resistência a desgaste diminui. Além disso, já que a dureza aumenta muito, a

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20/32 robustez diminui.

[00089] Quando Fn1 é 34 ou mais, a resistência à fadiga de contato de rolamento é melhorada em 40 % ou mais quando comparada com o aço de roda de via férrea da Classe C da AAR. A resistência é melhorada em 50 % ou mais quando Fn1 é 35 ou mais, e é melhorada em 70% ou mais quando Fn1 é 36 ou mais. Fn1 é preferencialmente 43 ou menos.

Fn2: 25 ou menos [00090] Para o aço para roda, de acordo com a presente invenção, a Fn2 expressa pela Fórmula (2) deve ser 25 ou menos.

Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 χ Μη) χ exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Mo) χ exp (4,6 χ V)... (2) em que C, Si, Mn, Cr, Mo e V significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento.

[00091] Se Fn2 excede 25, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento diminui. A Fn2 é preferencialmente 20 ou menos e mais preferencialmente 15 ou menos.

[00092] Se Fn2 é menos do que 3, é difícil tornar a Fn1 expressa pela Fórmula (1) 34 ou mais. Portanto, Fn2 é preferencialmente 3 ou mais.

[00093] Um dos aços para roda, de acordo com a presente invenção, tem uma composição química que consiste nos elementos descritos acima e o saldo consiste em Fe e impurezas.

[00094] Na presente invenção, as impurezas devem conter P: 0,05% ou menos, Cu: 0,20% ou menos, e Ni: 0,20% ou menos.

[00095] Abaixo, esses elementos são explicados.

P: 0,05% ou menos [00096] Fósforo (P) é uma impureza contida no aço. Se o teor de P excede 0,05%, a robustez diminui. Portanto, o teor de P nas impurezas era de 0,05% ou menos. O teor de P é preferencialmente 0,025% ou menos.

Cu: 0,20% ou menos

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21/32 [00097] Cobre (Cu) é uma impureza contida no aço. Se o teor de Cu excede 0,20%, o número de defeitos de superfície formados no momento de fabricação aumenta e, ademais, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento diminui. Portanto, o teor de Cu nas impurezas era de 0,20% ou menos. O teor de Cu é preferencialmente 0,10% ou menos.

Ni: 0,20% ou menos [00098] O níquel (Ni) é uma impureza contida no aço. Se o teor de Ni excede 0,20%, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento diminui. Portanto, o teor de Ni nas impurezas era de 0,20% ou menos. O teor de Ni é preferencialmente 0,10% ou menos.

[00099] Como outra composição química do aço para roda, de acordo com a presente invenção, o seguinte teor de Mo pode estar contido conforme se faz necessário, ao invés de uma parte de Fe.

Mo: 0,20% ou menos [000100] O molibdênio (Mo) pode estar contido, já que atua para aumentar a dureza de pearlita. No entanto, se o teor de Mo excede 0,20%, a estrutura bainítica é formada e a resistência a desgaste diminui e, além disso, a endurecibilidade aumenta e a resistência a lascamento diminui. Portanto, o teor de Mo no caso em que está contido era de 0,20% ou menos. O teor de Mo no caso em que está contido é preferencialmente 0,07% ou menos.

[000101] Por outro lado, a fim de alcançar de modo estável os efeitos descritos acima de Mo, o teor de Mo é preferencialmente 0,02% ou mais.

[000102] Como ainda outra composição química do aço para roda, de acordo com a presente invenção, o seguinte teor de Al pode estar contido conforme necessário, ao invés de uma parte de Fe.

Al: 0,20% ou menos [000103] O alumínio (Al) pode estar contido, já que alcança um efeito de refino do tamanho de grão e melhora, desse modo, a robustez. No entanto, se o teor de Al excede 0,20%, a quantidade de inclusões grossas aumenta, portanto, a robustez e a resistência à fadiga são diminuídas. Portanto, o

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22/32 teor de Al no caso em que está contido era de 0,20% ou menos. O teor de Al no caso em que está contido é preferencialmente de 0,15% ou menos.

[000104] Por outro lado, a fim de alcançar de modo estável o efeito de refino do tamanho de grão de Al, o teor de Al é preferencial mente 0,002% ou mais.

[000105] Para a microestrutura da roda que usa o aço para roda, de acordo com a presente invenção, como um material, é desejável que a fração de área de estrutura perlítica da parte de rebordo da mesma seja de 95% ou mais, e uma estrutura perlítica de 100% é mais desejável. O motivo para isso é que uma estrutura diferente de pearlita, como uma estrutura ferrítica e uma estrutura bainítica, tem uma baixa resistência a desgaste e é desejável que a fração de área total de estruturas diferentes de pearlita sejam de 5% ou menos. Além disso, uma estrutura em que a cementita hipereutetoide não é precipitada é desejável. O motivo para isso é que a precipitação de cementita hipereutetoide diminui a resistência à fadiga de contato de rolamento.

[000106] É desejável que a parte de cubo da roda tenha a mesma estrutura que aquela da parte de rebordo, embora nenhum problema especial surja mesmo se a fração de área de estruturas diferentes de pearlita exceda 5%. No entanto, uma estrutura em que a cementita hipereutetoide não é precipitada é desejável. O motivo para isso é que, em alguns casos, a precipitação de cementita hipereutetoide leva a uma diminuição extrema em robustez e na vida de fadiga. Pelo menos, a formação de cementita hipereutetoide observada sob um microscópio óptico deve ser evitada.

[000107] A roda que usa o aço para roda, de acordo com a presente invenção, como um material pode ser fabricada realizando-se sucessivamente o tratamento descrito, por exemplo, nos seguintes itens (1) a (3). Após o tratamento do item (3), o tratamento de têmpera pode ser realizado.

(1) Fusão e moldagem de aço [000108] Após ser fundido em um forno elétrico, um conversor ou similar, o material é moldado formando um lingote. O lingote pode ser uma peça

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23/32 moldada obtida através de moldagem contínua ou pode ser um lingote moldado em um molde.

(2) Formação em roda [000109] A fim de obter uma configuração de roda predeterminada, o lingote é formado em uma roda diretamente, ou através de um método adequado, como forjamento a quente ou usinagem, após ter sido fabricado uma vez em uma placa. O lingote pode ser formado em uma configuração de roda, diretamente por moldagem, porém, é desejável que o lingote seja forjado a quente.

(3) Têmpera [000110] Um método de têmpera em que uma tensão residual compressiva ocorre na parte de rebordo, como o processo de têmpera de sulco, é empregado. A temperatura de aquecimento na têmpera é preferencialmente o ponto Ac3 a (ponto Ac3 + 250°C). Se a temperatura de aquecimento é menor do que o ponto Ac3, a estrutura não é transformada em austenita e, em alguns casos, a pearlita que tem um alta dureza não pode ser obtida através de resfriamento após o aquecimento. Por outro lado, se a temperatura de aquecimento excede (ponto Ac3 + 250°C), o tamanho de grão é engrossado, portanto, a robustez é, por vezes, diminuída, o que é desfavorável em termos de desempenho de roda.

[000111] O resfriamento após o aquecimento é preferencialmente realizado por um método adequado, como resfriamento por água, resfriamento por óleo, resfriamento por névoa ou resfriamento por ar, dado o tamanho da roda, a facilidade e similares para que a estrutura descrita acima possa ser obtida na roda.

[000112] Abaixo, a presente invenção é explicada mais especificamente com o uso de exemplos. No entanto, a presente invenção não é limitada a esses exemplos.

Modalidade [000113] Após os aços 25 a 46 que tem componentes

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24/32 químicos dados na Tabela 3 terem sido fundidos em um forno elétrico, os aços fundidos foram escoados, cada um, em um molde que tem um diâmetro de 513 mm para produzir lingotes.

[000114] Os aços 28, 29, 31, 33, 34 e 38 a 46 são aços de modalidades exemplificativas da presente invenção em que a composição química está dentro de uma faixa definida na presente invenção. Por outro lado, os aços 25 a 27, 30, 32 e 35 a 37 são aços de exemplos comparativos em que a composição química se desvia das condições definidas na presente invenção.

[000115] Entre os aços de exemplos comparativos, o aço 25 é o aço correspondente ao aço de roda de via férrea da Classe C da AAR.

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Composição química (% em massa) Saldo: Fe e impurezas	Fn2	CO t- t- CO IXJ t- in < T- r- t- 1^. 00 CO 00 θ' N CN cxf 'U. CO CXI CN Γ- s o o o o 'st T- 'st T- 00 * CD T- CD S LO T- * CNt-COt-t-t-t-t-Q)	Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 x Mn + 10,8 x Cr + 30,3 x Mo + 44,3 χ V Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 χ Μη) χ exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Mo) χ exp (4,6 χ V)... (2) * indica que a composição química se desvia das condições definidas na presente invenção.
Fn1	ojT-LOT-oor^-LOLO^-cxiiXínoo^^to^LOtonLOO ς-σ\ΐιθτ-σ\ΐι^·ο·ϊ-ι^·σ)Ξΐ-·-·^·οοιοσ)ΐ^·σ)τ-ιοοοι^· £ 'sf lo r-~ σ> v oo o ^- lo Sj 2 o cxi σ> σ> σ> r- oo r- oo lo « coconn^n^con; » -^-^-0000000000000000
<	^^LOCOOil^-OO^-LOCOCOLOI^-l^-T-^-CN·^- CXI CXJCXJi-CXJi-CXJi-i-i-i-CXJi-i-COCOCO-srCXJ O) 000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1
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Mo	cxi r^- 2 0 0 cxi lo OO - T— T— O O .....d d ? 1 1 1 0 0 0.......0
Cr	CDSSOOT-COSS-tfCDLnOS-tfCXCDOOT-COCDOO OOOt-t-^-t-Ot-OOCXIO^-^-OOt-COCXICXIOOt0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
z	CXICOCXICXICOCOCXICXICXICOCXICOCXICXICOCXICXIOOCXIOOCXICXI 0000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Cu	t— CXICXICOCOCXICOCXICXICXICOCXICOCOCXICOCOCOO)CXICXIOO 0000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ω	OOOOOOOOCXIOt-OOCXIOI^-OOOOOCXII^-CXIOOOtOOOOOt-t-Ot-Ot-OOOOOCOCOt-t-Ot0000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
CL	CXI^-t-CO^-I^-CO^-CO^-COt-LO^-^-LOCOCXI^-LOI^-·^· 0000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Mn	OOCX\|t-COO)OOCX\|COCOt-OOOCX\|OOCX\|t-CJ)COOCOOtr^-oooooocooooooooooocooooooooooor^-oooooooooo 0 0 0 0 v 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ώ	OT-oooLor^-oocxiT-ooT-oOooT-T-oooor^-r^-r^CXICOCXIOCXIOCXICOCOCXICXICO -OO^-CXIOO·^-·^-·^··^··^· 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 í 0 0 0 0 0 0 0 0 0
O	oSooCXJCOT-COT-LnT-CDOT-^-LnCDCDCXJCOt-COCXJ d P P 0’ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Aço	LOCOI^-OOOOt-CXICO^-LOCOI^-OOOOt-CXICO^-LOCO CXICXICXICXICXICOCOCOCOCOCOCOCOCOCO·^-·^··^··^-·^··^··^·

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26/32 [000116] O lingote de cada aço foi cortado em um comprimento de 300 mm e, após ter sido aquecido a 1.200°C, o lingote cortado foi forjado a quente pelo método comum, através do qual uma roda que tem um diâmetro de 965 mm foi fabricada. Essa roda tem a configuração de AAR TYPE:B-38 descrita em padrões M-107/M-207 da AAR.

[000117] Em seguida, após ter sido aquecida a 900°C por 2 horas, cada uma das rodas foi tratada a quente por um método em que, com o uso de um dispositivo mostrado na Figura 12, a roda é resfriada aspergindo-se água a partir de bocais enquanto a roda é girada (denominado processo de têmpera de sulco).

[000118] Após o tratamento térmico descrito acima, o tratamento de têmpera (tratamento em que a roda é mantida a 500°C por 2 horas e, posteriormente, é resfriada na atmosfera) foi realizado.

[000119] Na roda então fabricada, o teste de dureza da parte de rebordo, o exame de microestrutura da parte de rebordo e da parte de cubo, o teste de desgaste, o teste de fadiga de contato de rolamento e o teste Jominy foram conduzidos. Em cada teste, os resultados de teste no símbolo de teste A com o uso de aço 25 foram usados como base.

[1] Teste de dureza de parte de rebordo [000120] Para cada aço, conforme mostrado na Figura 13, a dureza de Brinell (doravante, denominada como HBW) em uma posição a 40 mm de distância do sulco na porção central de sulco da parte de rebordo foi medida.

[2] Exame de microestrutura da parte de rebordo [000121] Para cada aço, conforme mostrado na Figura 14, a microestrutura em uma posição a 40 mm de distância do sulco na porção central de sulco da parte de rebordo foi examinada. A posição foi corroída com nital e a microestrutura foi observada sob um microscópio óptico a x400 de ampliação.

[000122] No caso em que a microestrutura continha estrutura ferrítica ou bainítica, a fração de área da mesma foi medida. Se a fração de área

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27/32 era de 5% ou mais, a microestrutura foi reconhecida como uma microestrutura que contém ferrita ou bainita. No caso em que a ferrita ou a bainita estavam contidas, P + F ou P + B foi escrito na Tabela 4 descrita posteriormente.

[3] Exame de microestrutura de parte de cubo [000123] Para cada aço, conforme mostrado na Figura 15, a microestrutura em uma posição no centro da parte de cubo foi examinada. A posição foi corroída com nital e a microestrutura foi observada da mesma maneira que na parte de rebordo.

[4] Teste de desgaste [000124] Para cada aço, conforme mostrado na Figura 16, na base da posição a 40 mm de distância do sulco na porção central de sulco da parte de rebordo (a posição indicada por a na Figura 16), um espécime de teste de roda (um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 5(a)) usado para o teste de desgaste foi amostrado.

[000125] Com o uso do espécime de teste de roda de cada um dos aços 25 a 46 e o espécime de teste de trilho mencionando anteriormente de aço 1, o teste de desgaste que usa a máquina de teste de desgaste do tipo Nishihara foi conduzido sob as mesmas condições que aquelas para os aços 1 a 24 para determinar a quantidade de desgaste.

[000126] Especificamente, o teste de desgaste foi conduzido sob as condições de Tensão hertziana: 2.200 MPa, razão de deslizamento: 0,8%, e velocidade de rotação: 776 rpm na lateral da roda e 800 rpm na lateral do trilho, e após o teste ter sido realizado até que um número de ciclos de 5 χ 105, a quantidade de desgaste foi determinada a partir da diferença em massa do espécime de teste antes e após o teste.

[5] Teste de fadiga de contato de rolamento [000127] Para cada aço, conforme mostrado na Figura 16, com base na posição a 40 mm de distância do sulco na porção central de sulco da parte de rebordo (a posição indicada por b na Figura 16), um espécime de teste de roda (um espécime de teste que tem a configuração mostrada na Figura 4(a))

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28/32 usado para o teste de fadiga de contato de rolamento foi amostrado.

[000128] Com o uso desse espécime de teste de roda, o teste de fadiga de contato de rolamento foi conduzido sob as mesmas condições que aquelas para os aços 1 a 24 para determinar a vida de fadiga de contato de rolamento.

[000129] Especificamente, com o uso do espécime de teste de roda de cada um dos aços 25 a 46 e o espécime de teste de trilho mencionado anteriormente do aço 1, o teste de fadiga de contato de rolamento foi conduzido sob as condições de Tensão hertziana: 1.100 MPa, razão de deslizamento: 0,28%, velocidade de rotação: 1.000 rpm na lateral da roda e 602 rpm na lateral do trilho, e sob lubrificação por água, e o número de ciclos em que 0,5G foi detectado por um acelerômetro foi avaliado como a vida de fadiga de contato de rolamento.

[6] Teste Jominy [000130] Para cada aço, conforme mostrado na Figura

16, com base na posição a 40 mm de distância do sulco na porção central de sulco da parte de rebordo (a posição indicada por c na Figura 16), um espécime de teste Jominy foi amostrado, e o teste Jominy foi conduzido sob as mesmas condições que aquelas para os aços 1 a 24 para determinar a M50%.

[000131] Especificamente, o espécime de teste foi austenitizado a 900°C por 30 minutos na atmosfera e, posteriormente, foi submetido à têmpera de extremidade. Então, a distribuição de dureza para uma posição a 50 mm de distância da extremidade de resfriamento de água foi medida após o corte paralelo de 1,0 mm e, desse modo, a M50% foi determinada pelo mesmo método conforme descrito acima.

[000132] A Tabela 4 fornece sistematicamente os resultados de teste.

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Comentários	CD CD CD CD CD Ό Ό Ό -OO 55 5 5 555 ro ro o oro o ro o o ro ro ro i- i- tcD icD - «cD - icD «cD - - *- CD CD Q> Q> CD Q. ro Q> C> CD CD CD cl cl ro c ro c cl ro c cl ro c ro c cl cl cl Ê Ê > φ >cd£ >©£ > φ > φ E E E U U Ό q — Ό q — CJ ό q — CJ ό q — ό q — CJ CJ CJ ό ΟΟωί^φΦί^φο^^φο^^φΦ^φοΟΟω CL Q. ~ Q. C ~ Q. C Q-~ CL C Q. ~ CL C = CL C CL CL CL = φΕΕβρφφρΦΕβρΦΕβρφφρΦΕΕΕβ § £ i gB i g § £ gB I h £ 8 co LU LU S φ ClS φ ClLU S φ ClLU S φ CL S φ CL LU LU LU
Μ 50% (mm)	'st οι σι r-· co oo co A. v A < A lo 'T. v A A A co r-. co lo t- lo t- r-· oi oo <- co σ) lo <- οι οι
Vida de fadiga de contato de rolamento (ciclo)	cd co o r-· lo coco ooco co cd r-. co r-· CO CD 00 'sT CD CO 'sT CO h- CO CO LO CD CD 00 CO CD LO CO COLO CO 00 'sT 'st; T-; LO LO LO CO LO CO CO 00 OI CD CD 00 oi l< O CO CO o- O CO OI t- 00 OOI 'sT OI o- 00 CD oo ο- oi co cq <- <- ι> τ A A oi CO CO LO 'sf 'sf CO CO LO LO LO
Quantidade de desgaste (g)	00 CO 'sT CO OI 0)0) T— LO CO T- O- 00 OI T- 'st O- co <- T- co T- CO LO CO OI o o CO CO OI OI OI OIOI CO OI OI CO CO OI OI o o o o o o o o o o o o o o
Estrutura de parte de cubo	(cementita hipereutetoide)	φ φ ® φ φ φφ φφ φ ΦΦΦΦ -f~» -f-' r~ -f~» -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' -f-' CCmC C CC CC C CCCC φ φ (Λ φ φ φφ φφ φ ΦΦΦΦ ω ω αί ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω 00Ü.0 0 00 00 0 0000 <<□.< < << << < <<<<
Fase	u_ m co CL CL CL CL 0. 0. 0. 0. 0. CL
Estrutura de parte de rebordo	(θ hipereutética)	ΦΦΦΦ Φ ΦΦ ΦΦ Φ ΦΦΦΦ -+—* Η—' Η—' Η—' Η—' Η—' -+—* -+—* -+—* -+—* -+—* -+—* -+—* -+—* CCCC C CC CC C CCCC ΦΦΦΦ φ φφ φφ φ ΦΦΦΦ ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω 0000 0 00 00 0 0000 <<<< < << << < <<<<
Fase	u_ co co CL Q_ Q_ Q_ Q_ CL
Dureza de parte de rebordo (HBW)	00 T- o C0 OI LOCO -<-00 CO 00 LO OI T- T- LO CO CO O) Ο Γ—- O) 'sT O- Ot-OO CO CO CO CO CO 'st' CO COCO CO CO 'st' 'st' 'st'
Aço	LO CO O- „ _ O OI _ . LO to N „ OI OI OI 2° gí CO ΣΣ CO £2 CO CO CO 0° * * * OI OI * co * co co * * * co
Símbolo de teste	< CO o 0 LU Ll 0 T ->

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31/32 [000133] Conforme é aparente a partir da Tabela 4, para os símbolos de teste D, E, G, I, J, e N a V das modalidades exemplificativas da presente invenção em que o aço cuja composição química satisfaz as condições definidas na presente invenção é usado, a resistência a desgaste e a resistência 5 à fadiga de contato de rolamento eram excelentes quanto comparadas ao símbolo de teste A, o qual é a base com o uso do aço 25 correspondente ao aço de roda de via férrea da Classe C da AAR.

[000134] Todos os valores de Fn2 de aços usados para símbolos de teste de modalidades exemplificativas da presente invenção eram menores do 10 que 25. Portanto, presume-se que a endurecibilidade é baixa e a resistência a lascamento é excelente.

[000135] Em contraste, para o símbolo de teste B do exemplo comparativo em que o aço 26 cujo teor de C é tão baixo quanto 0,58%, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, 5% ou 15 mais de ferrita foi formado na estrutura, e a quantidade de desgaste era grande.

[000136] Para o símbolo de teste C do exemplo comparativo em que o aço 27 cujo teor de C é tal alto quanto 0,87% e que não contém V, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, a cementita hipereutetoide foi observada na parte de cubo.

[000137] Para o símbolo de teste F do exemplo comparativo em que o aço 30 cuja Fn2 é tão alta quanto 25,6, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, a endurecibilidade era alta. Portanto, presume-se que a resistência a lascamento é insatisfatória.

[000138] Para o símbolo de teste H do exemplo comparativo em 25 que o aço 32 cujo teor de Mo é tão alto quanto 0,30% e que não contém V, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, 5% ou mais de bainita foi formado na estrutura para que a quantidade de desgaste seja grande.

[000139] Para o símbolo de teste K do exemplo comparativo em 30 que o aço 35 cuja Fn1 é tão baixa quanto 29,57, desviando-se das condições

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32/32 definidas na presente invenção, é usado, a dureza da parte de rebordo era tão baixa quanto 308 em HBW para que a quantidade de desgaste seja grande. Além disso, a vida de fadiga de contato de rolamento também era curta.

[000140] Para o símbolo de teste L do exemplo comparativo em que o aço 36 cuja Fn1 é tão alta quanto 45,59, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, 5% ou mais de bainita foi formado na estrutura para que a quantidade de desgaste seja grande.

[000141] Para o símbolo de teste M do exemplo comparativo em que o aço 37 cujo teor de Si e a Fn2 são tão altos quanto 1,02% e 27,1, respectivamente, desviando-se das condições definidas na presente invenção, é usado, a endurecibilidade era alta. Portanto, presume-se que a resistência a lascamento é insatisfatória.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL [000142] O aço para a roda, de acordo com a presente invenção, é excelente no equilíbrio entre a resistência a desgaste, a resistência à fadiga de contato de rolamento e a resistência a lascamento, e pode conferir uma longa vida à roda. Especificamente, para a roda que usa o aço para roda, de acordo com a presente invenção, como um material, a quantidade de desgaste diminui em 10 a 35% e a vida de fadiga de contato de rolamento aumenta para 1,4 a 3,2 vezes quando comparada à roda que usa o aço de roda de via férrea da Classe C da AAR, e menos provável que o lascamento ocorra. Portanto, o aço para roda, de acordo com a presente invenção, é extremamente adequado como um material para uma roda de via férrea usado em um ambiente com condições muito severas com distância de percurso aumentada e capacidade de carregamento aumentada.

Claims

1. Aço para roda CARACTERIZADO pelo fato de que tem uma composição química que consiste em, percentual em massa, C: 0,65 a 0,84%, Si: 0,02% a menos que 0,40%, Mn: 0,50 a 1,90%, Cr: 0,02 a 0,50%, V: 0,02 a 0,20%, e S: 0,04% ou menos, em que a Fn1 expressa pela Fórmula (1) é 35 a 43, e a Fn2 expressa pela Fórmula (2) é 25 ou menos, sendo que o saldo é Fe e impurezas, e as impurezas contêm P: 0,05% ou menos, Cu: 0,20% ou menos, e Ni: 0,20% ou menos

Fn1 = 2,7 + 29,5 x C + 2,9 x Si + 6,9 χ Mn + 10,8 x Cr + 30,3 χ Mo + 44,3 x V (1)

Fn2 = exp (0,76) χ exp (0,05 χ C) χ exp (1,35 χ Si) χ exp (0,38 χ Μη) χ exp (0,77 χ Cr) χ exp (3,0 χ Mo) χ exp (4,6 χ V) (2) nas Fórmulas (1) e (2), C, Si, Mn, Cr, Mo e V significam, cada um, o teor em porcentagem em massa do elemento.

2. Aço para roda, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que 0,20% ou menos de Mo está contido em percentual em massa, ao invés de uma parte de Fe.

3. Aço para roda, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que 0,20% ou menos de Al está contido em percentual em massa, ao invés de uma parte de Fe.