BR112019025788B1 - Peça de via férrea e seu método, em particular um trilho de aço de baixa liga para veículos ferroviários - Google Patents

Abstract

Em uma peça de via férrea, em particular um trilho de aço de baixa liga para veículos ferroviários, o aço compreende, na cabeça do trilho da peça de via férrea, uma porção de ferrita de 5 a 15% em volume, uma porção de austenita de 5 a 20% em volume, uma porção de martensita de 5 a 20% em volume e uma porção de bainita livre de carboneto de 55 a 75% em volume.

Description

[001] A invenção refere-se a uma peça de via férrea, em particular um trilho de aço de baixa liga para veículos ferroviários.

[002] A invenção refere-se ainda a um método para produzir uma peça de via férrea a partir de uma seção laminada a quente.

[003] Recentemente, o peso das cargas transportadas e as velocidades de movimento no tráfego ferroviário de mercadorias aumentaram constantemente, a fim de aumentar a eficiência do transporte ferroviário. Os trilhos de trem estão, portanto, sujeitos a condições operacionais agravadas e, portanto, precisam ser de qualidade superior para suportar cargas aumentadas. Os problemas tangíveis são refletidos por um forte aumento no desgaste de, em particular, trilhos montados em curvas e pela ocorrência de danos devido à fadiga do material encontrada principalmente na borda de rolamento, que constitui o principal ponto de contato de um trilho com as rodas em uma curva. Resultará em fadiga de contato de rolamento (RCF). Exemplos de danos RCF à superfície, por exemplo, incluem danos por head checks, descamação, squats (deformações plásticas da superfície), ondas de deslizamento e corrugações. Tais danos à superfície resultam em vida útil reduzida dos trilhos, aumento das emissões de ruído e distúrbios operacionais. O aumento da ocorrência de defeitos é adicionalmente acelerado pelo aumento contínuo das cargas de tráfego. A consequência imediata de tal desenvolvimento é uma demanda elevada de manutenção férrea. No entanto, a crescente demanda de manutenção está em contradição com as janelas de manutenção cada vez menores. Densidades mais altas de trens reduzem cada vez mais os intervalos de tempo nos quais os trilhos podem ser reparados.

[004] Embora os defeitos acima mencionados possam ser eliminados em um estágio inicial por retificação, o trilho deve ser trocado quando danificado. Em operação, danos por head checks ocorrerão na região da borda de rolamento do trilho externo da curva em curvas com raios de 500 m e mais, ou seja, onde o desgaste começa a desempenhar apenas um papel menor. As altas pressões da superfície local combinadas com o escorregamento local no contato roda/trilho, causado por diferenças nos raios de rolamento, levam a tensões de cisalhamento na superfície do material do trilho, o que ocorrerá a cada processo de sobreposição. As trincas são iniciadas e, em consequência adicional, as trincas crescerão ao longo da orientação da camada formada a frio, como será observado nos cortes longitudinais dos trilhos afetados. O crescimento da trinca no primeiro estágio ocorre quase em paralelo com a superfície, estendendo-se posteriormente continuamente para o interior do trilho. Quando as trincas atingem um comprimento crítico, podem ocorrer súbitas quebras e, devido à periodicidade das trincas, podem ocorrer falhas nas peças do trilho.

[005] A taxa de desgaste que ocorre paralelamente ao crescimento da trinca é sempre menor, tanto nos trilhos clássicos completamente perlíticos quanto nos trilhos bainíticos, dominando o crescimento da trinca.

[006] No passado, várias tentativas foram, portanto, realizadas para melhorar a resistência ao desgaste e a resistência a danos RCF, a fim de aumentar o ciclo de vida dos trilhos. Entre outros, isso foi realizado pela introdução e uso de aços ferroviários bainíticos.

[007] A bainita é uma microestrutura que pode se formar durante o tratamento térmico do aço ao carbono por transformação isotérmica ou resfriamento contínuo. A bainita se forma a temperaturas e taxas de resfriamento que variam entre as de formação de perlita e formação de martensita. Diferentemente da formação de martensita, processos de cisalhamento na rede cristalina e processos de difusão são acoplados neste caso, proporcionando assim diferentes mecanismos de transformação. Devido à dependência das taxas de resfriamento, conteúdo de carbono, elementos de liga e consequentemente temperaturas de formação resultantes, a bainita não possui microestrutura característica. A bainita, como a perlita, compreende as fases ferrita e cementita (Fe3C), mas difere da perlita em termos de forma, tamanho e distribuição. Basicamente, é feita distinção entre duas formas microestruturais principais, isto é, bainita superior e bainita inferior.

[008] A partir do documento WO 2014/040093 A1, é conhecido um método para produzir uma peça de via férrea e um trilho de aço, que visa a melhoria da resistência ao desgaste, em particular a prevenção de danos por head checks, e para esse fim compreende uma microestrutura com uma estrutura de bainita multifásica com um teor de ferrita de 5 a 15% na cabeça do trilho. Nas curvas com raio de 500 m ou mais, os fenômenos acima identificados ocorrerão mesmo assim.

[009] A invenção, portanto, visa melhorar uma peça de via férrea, em particular um trilho, para ser composta de um aço de baixa liga por razões de custo e por razões de soldagem, com o objetivo de que, mesmo com cargas elevadas nas rodas e curvas maiores, a formação de trincas será contida, por um lado, e o crescimento inicial da trinca será claramente atrasado, impedindo que o caminho da trinca entre no interior do trilho, por outro lado. Finalmente, a peça de via férrea deve ser facilmente soldável e exibir outras propriedades do material semelhantes, como uma condutividade elétrica semelhante e um coeficiente de expansão térmica semelhante, como os aços até agora providos na construção férrea.

[010] Para resolver este objetivo, a invenção, de acordo com um primeiro aspecto, fornece uma peça de via férrea do tipo definido inicialmente, que é ainda desenvolvida de modo que o aço compreenda, na cabeça do trilho da peça de via férrea, uma fração volumétrica de ferrita de 5 a 15% em volume, uma fração volumétrica de austenita de 5 a 20% em volume, uma fração volumétrica de martensita de 5 a 20% em volume, e uma fração volumétrica de bainita livre de carboneto de 55 a 75% em volume. A bainita livre de carboneto é composta por agulhas de ferrita com alta densidade de deslocamento sem precipitações de carboneto. As frações volumétricas da fase austenítica na zona influenciada por contato estão sujeitas a outro mecanismo de deformação do que no caso de trilhos convencionais contendo carboneto. Assim, ocorre uma transformação de fase martensítica induzida por deformação, o efeito TRIP (plasticidade induzida por transformação), seguido por um aumento simultâneo da dureza e a deformabilidade sob tensão plástica. O aumento da dureza, que é equivalente a uma elevada resistência à deformação, em regiões próximas à superfície afeta a bainita livre de carboneto circundante de maneira a restringir o cisalhamento da última. Diretamente na superfície da cabeça do trilho, as regiões transformadas martensiticamente estão cada vez mais sujeitas a desgaste abrasivo. A formação de trincas e o crescimento inicial da trinca serão claramente impedidos ou desacelerados pela elevada tenacidade à fratura da trinca, de modo que, em combinação com o desgaste natural, não ocorra realmente o crescimento da trinca. A peça de via férrea é, portanto, sujeita apenas ao desgaste, de modo a permitir a determinação precisa de sua duração de uso, sem a necessidade de nenhum monitoramento adicional da formação de trincas.

[011] Uma resistência particularmente boa à trinca será alcançada se a fração volumétrica da bainita livre de carboneto for de 60 a 70% em volume.

[012] A fração volumétrica de ferrita é preferencialmente de 8 a 13% em volume.

[013] É ainda proporcionado de um modo preferencial que a bainita forma uma matriz na qual austenita, martensita e ferrita são preferencialmente distribuídas homogeneamente. Austenita e martensita estão preferencialmente pelo menos parcialmente presentes na forma de ilha, poligonalmente ou globularmente com um tamanho médio de vários μm, em particular em uma faixa de 1 a 10 μm. Além disso, a austenita está preferencialmente parcialmente presente na forma de filme com uma espessura inferior a 1 μm e um comprimento de vários μm. A martensita, em particular, está parcialmente presente como martensita pura em uma morfologia muito pouco ou quase não revenida, de modo que dificilmente ocorrerão precipitações de carboneto da martensita. O tamanho das regiões martensíticas individuais é de cerca de 5 μm. A ferrita está presente parcialmente como ferrita de contorno de grão e parcialmente como ferrita poligonal. Além disso, a perlita de contorno de grão inadvertida ocorre principalmente no interior da cabeça do trilho, porque ali sua ocorrência é possibilitada por uma taxa de resfriamento um pouco menor do que na zona da aresta, que compreende vários milímetros.

[014] Como já foi indicado acima, os aços de baixa liga são utilizados de acordo com a invenção, a fim de minimizar custos e melhorar a soldabilidade. Em geral, o aço de baixa liga no contexto da invenção compreende preferencialmente elementos de liga de carbono, silício, manganês, cromo, molibdênio e opcionalmente vanádio, fósforo, enxofre, boro, titânio, alumínio e/ou nitrogênio, e o saldo de ferro.

[015] O principal objetivo dos elementos de liga é ajustar uma microestrutura bainítica isenta de carbonetos, apesar de um teor médio de carbono de cerca de 0,3%. Isso é permitido pela adição proposital de silício, que estará presente posteriormente no cristal misto. A característica essencial do silício é sua solubilidade muito baixa na fase de cementita. Isso resulta em uma forte inibição e/ou atraso temporal da formação de cementita no caso de uma distribuição homogênea de silício. Em vez disso, a redistribuição de carbono ocorre nas faixas de temperatura em que a formação de cementita normalmente ocorre. A razão para isso é que a fase de ferrita pode dissolver consideravelmente menos carbono que a fase de alta temperatura austenítica. Consequentemente, um transporte de carbono para a austenita ainda não transformada é causado na frente da reação ferrita-austenita, sendo a austenita enriquecida com carbono e estabilizada termicamente em uma extensão cada vez maior. O enriquecimento de carbono na austenita é interrompido quando sua solubilidade máxima é atingida. Isso é descrito graficamente pela chamada curva T0', que descreve o teor máximo de carbono na austenita em função da temperatura. Quando o teor máximo é atingido, a reação para isto é, não ocorre mais formação de bainita a partir da austenita enriquecida em carbono. Com um resfriamento adicional, as áreas de austenita termicamente instáveis se transformarão em mais ou menos martensita de alto carbono e, opcionalmente, auto têmpera.

[016] É preferencialmente fornecido que nenhum elemento de liga esteja presente em uma quantidade superior a 1,8% em peso.

[017] É preferencialmente fornecido que o silício esteja presente em uma quantidade menor que 1,2% em peso. Como já mencionado, o silício é adicionado por ligas para evitar a formação de cementita. Ao fazer isso, a razão silício-carbono é de particular relevância, pois a formação parcial de cementita pode ocorrer no caso de um teor de Si muito pequeno. Por um lado, os carbonetos per se não são desejados na microestrutura multifásica procurada; por outro lado, menos carbono está disponível para a estabilização da austenita devido à formação de carboneto, o que facilitará subsequentemente a formação de martensita. Isso também é indesejável. Na técnica anterior, é indicado um teor mínimo de 1,5% em peso de silício para impedir a formação de cementita com teores médios de carbono de cerca de 0,3% em peso. Em uma configuração preferida, o teor de silício é, no entanto, limitado a 1,20% em peso, uma vez que o silício permite que a resistência elétrica aumente fortemente, causando possivelmente problemas com a recirculação de corrente na pista.

[018] Além disso, é preferencialmente fornecido que o carbono esteja presente em uma quantidade menor que 0,6% em peso, preferencialmente menor que 0,35% em peso. O carbono é o elemento que mais influencia a temperatura inicial da martensita. Um teor crescente de carbono levará a uma diminuição da temperatura inicial da martensita. A temperatura inicial da martensita não deve ser muito superior a 320 °C para evitar a ocorrência de grandes frações volumétricas de martensita durante o tratamento térmico e um resfriamento adicional no leito de resfriamento. A vantagem de uma fração volumétrica de baixo carbono consiste em que a austenita pode absorver mais carbono e a formação de bainita pode ocorrer em maior extensão. Além disso, o risco de formação indesejada de cementita é reduzido.

[019] O manganês é, acima de tudo, adicionado por ligas para combater a formação de ferrita e perlita durante o tratamento térmico e ajustar principalmente a bainita livre de carbonetos, aumentando a temperabilidade. O manganês também é um estabilizador de austenita e, além do carbono, diminui a temperatura inicial da martensita. Além disso, é conhecido na literatura que a curva T0' mudará para um menor teor de carbono com o aumento do teor de manganês, o que neutraliza a formação contínua de bainita livre de carboneto. Por esse motivo, o teor máximo de Mn é limitado a 1,8%, mas é preferencialmente claramente mais baixo pelos motivos citados acima.

[020] Como o manganês, o cromo também aumenta a temperabilidade, mas tem um efeito mais forte que o manganês. Além disso, o cromo causa endurecimento misto de cristal, que é utilizado deliberadamente. Um teor relativamente baixo de cromo é procurado para evitar a ocorrência de carbonetos de cromo, por um lado, e para facilitar a soldabilidade, por outro lado.

[021] O vanádio é um elemento microligado que aumenta a dureza sem deteriorar a tenacidade. Além do endurecimento de cristal misto, também é causada a precipitação de partículas muito finas, induzindo um aumento da dureza.

[022] Como o manganês e o cromo, o molibdênio aumenta a dureza. A particularidade do molibdênio é que, acima de tudo, os produtos de transformação controlados por difusão, ou seja, ferrita e perlita, são deslocados para períodos de transformação prolongados, que na literatura são atribuídos ao efeito de arrasto do soluto. Assim, a área de bainita pode ser direcionada diretamente, mesmo durante o resfriamento contínuo. Já um teor relativamente baixo de molibdênio menor que 1/10% é suficiente para alcançar esse efeito. Por outro lado, o molibdênio tem um efeito negativo no comportamento de segregação, de modo que as regiões segregadas são marcadamente enriquecidas com molibdênio e, no final, terão uma microestrutura martensítica. A soldabilidade também é acentuadamente deteriorada pelo molibdênio. Por essas duas razões, o teor de molibdênio é mantido o mais baixo possível, a fim de ajustar uma microestrutura predominantemente livre de carbonetos em combinação com o tratamento térmico.

[023] O mesmo efeito que o molibdênio, ou seja, o impressionante atraso temporal da formação de ferrita e perlita também é exercido pelo elemento boro. O efeito deste último baseia-se no fato de que o boro atômico é dificilmente solúvel na austenita e, portanto, está presente principalmente nos contornos de grãos, dificultando a formação de núcleos subsequentes para ferrita e perlita. Já alguns ppm de boro serão suficientes para esse efeito, aproximadamente 30 ppm suficientes para um atraso temporal da formação de ferrita por um fator 10. No entanto, se nitretos de boro ou carbonitretos de boro forem formados, esse efeito positivo será perdido. Por esse motivo, o titânio é adicionalmente ligado ao aço, uma vez que a afinidade com o nitrogênio é claramente mais alta com o titânio do que com o boro, causando a precipitação de carbonitretos de titânio. Para evitar com segurança a ocorrência de precipitados de boro, a proporção de titânio em relação ao nitrogênio, que está sempre presente no fundido em cerca de 50 a 100 ppm, deve ser de pelo menos 4:1 para que todo o nitrogênio seja ligado. Um problema resultante disso é a precipitação de carbonitretos de titânio possivelmente grosseiros, que podem ter efeitos adversos nas propriedades de tenacidade e fadiga.

[024] De uma maneira preferencial, é utilizado um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,2 a 0,6% em peso de C 0,9 a 1,2% em peso de Si 1,2 a 1,8% em peso de Mn 0,15 a 0,8% em peso de Cr 0,01 a 0,15% em peso de Mo e, opcionalmente 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro

[025] Resultados particularmente bons podem ser obtidos com um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,28 a 0,32% em peso de C 0,98 a 1,03% em peso de Si 1,7 a 1,8% em peso de Mn 0,28 a 0,32% em peso de Cr 0,08 a 0,13% em peso de Mo e, opcionalmente, 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro

[026] De preferência, é utilizado um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,44 a 0,52% em peso de C 1,05 a 1,17% em peso de Si 1,4 a 1,7% em peso de Mn 0,36 a 0,80% em peso de Cr 0,01 a 0,08% em peso de Mo e, opcionalmente 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro

[027] Uma aptidão particularmente boa para seções de vias férreas altamente tensionadas é preferencialmente fornecida se a peça de via férrea tiver uma resistência à tração Rm de 1.150 a 1.400 MPa na região da cabeça. Além disso, a peça de via férrea tem uma dureza de preferencialmente 320 a 380 HB na região da cabeça.

[028] De acordo com um segundo aspecto, a invenção fornece um método para a produção da peça de via férrea descrita acima, na qual a peça de via férrea é produzida a partir de uma seção laminada a quente, em que a cabeça do trilho da seção laminada, imediatamente após ter deixado a cadeira de laminação , é submetida a calor de laminação e a resfriamento controlado, o dito resfriamento controlado compreendendo em uma primeira etapa o resfriamento ao ar ambiente até atingir uma primeira temperatura de 780 a 830 °C, em uma segunda etapa o resfriamento acelerado a uma segunda temperatura de 450 a 520 °C, em uma terceira etapa a manutenção da segunda temperatura, em uma quarta etapa, o resfriamento ainda mais acelerado até atingir uma terceira temperatura de 420 a 470 °C, em uma quinta etapa a manutenção da terceira temperatura e em uma sexta etapa o resfriamento até a temperatura ambiente ao ar ambiente. O resfriamento controlado é realizado, de preferência, imergindo pelo menos a cabeça do trilho em um líquido de resfriamento, como conhecido per se. O dito resfriamento acelerado no líquido de resfriamento permite a obtenção seletiva das faixas de temperatura desejadas em um curto período de tempo sem passar por áreas de fase indesejadas.

[029] É preferencialmente fornecido que o dito resfriamento acelerado na segunda etapa seja realizado a uma taxa de resfriamento de 2 a 5 °C/s.

[030] É preferencialmente fornecido que a peça de via férrea seja completamente imersa no líquido de resfriamento durante a segunda etapa.

[031] A etapa de manter entre 450 °C a 520 °C (terceira etapa) é para fornecer principalmente uma compensação de temperatura entre a superfície da cabeça do trilho em contato com o líquido de resfriamento e o interior da cabeça do trilho, a fim de manter um reaquecimento mais forte na segunda etapa de manutenção (quinta etapa) baixo. Além disso, essa faixa de temperatura oferece o seguinte recurso especial ao aço com a composição química acima identificada: a extensão da formação de ferrita, se houver, pode ser influenciada pela velocidade de resfriamento (e, portanto, o tempo até atingir a faixa de temperatura) e pelo tempo de permanência nessa faixa de temperatura. Em algumas circunstâncias, a formação de perlita de contorno de grão pode ocorrer nessa faixa de temperatura. Para alcançar os efeitos acima mencionados, é preferível que a terceira etapa se estenda por um período de 10 a 300 s, preferencialmente 30 a 60 s.

[032] É preferencialmente fornecido que o dito resfriamento acelerado na quarta etapa seja realizado a uma taxa de resfriamento de 2 a 5 °C/s.

[033] É preferencialmente fornecido que, durante a quarta etapa, a peça de via férrea seja imersa no líquido de resfriamento apenas com a cabeça do trilho.

[034] A segunda etapa de manter entre 420 °C a 470 °C (quinta etapa) serve para a formação da bainita livre de carboneto com uma redistribuição de carbono em execução simultânea na austenita circundante. Nesta faixa de temperatura, a austenita está presente principalmente como tipo ilha, em vez de tipo filme. A intensidade da redistribuição de carbono nessa faixa determina com que intensidade a austenita pode ser enriquecida com carbono e permanecerá metaestável como austenita ou se transformará martensiticamente durante um resfriamento adicional. Além disso, para o ajuste da microestrutura, é particularmente importante que uma temperatura não inferior a 400 °C seja observada durante o resfriamento acelerado (quarta etapa), pois, caso contrário, a formação da etapa de bainita inferior acompanhada por precipitações de cementita será causada. Para alcançar estes efeitos, é preferível que a terceira etapa se estenda por um período de 50 a 600 s, preferencialmente 100 a 270 s.

[035] O ajuste das duas etapas de manutenção (terceira e quinta etapas), por exemplo, pode ser efetuado resfriando até o limite inferior da faixa de temperatura seguido de reaquecimento.

[036] É preferível que a peça de via férrea seja mantida em uma posição removida do líquido de resfriamento durante a terceira e/ou quinta etapas.

[037] Como a faixa de temperatura dos dois pontos de manutenção é uma função dos elementos de liga do aço em questão e de suas quantidades, o valor da primeira temperatura e o valor da segunda temperatura devem ser determinados com precisão a priori, para o aço respectivo. A temperatura do trilho é medida continuamente durante o resfriamento controlado, em que os estágios de resfriamento e manutenção são iniciados ou terminados, respectivamente, ao atingir os respectivos limites de temperatura. Como a temperatura da superfície do trilho pode variar em todo o comprimento da peça de via férrea, ainda que o resfriamento seja realizado uniformemente em toda a peça de via férrea, é preferencialmente efetuado de modo que a temperatura seja detectada em vários pontos de medição distribuídos ao longo do comprimento da peça de via férrea e um valor médio da temperatura é formado, o qual é usado para controlar o dito resfriamento controlado.

[038] Durante o dito resfriamento controlado pelo líquido de resfriamento, o líquido de resfriamento passa por três fases do processo de resfriamento. Na primeira fase, isto é, na fase de filme de vapor, a temperatura na superfície da cabeça do trilho é tão alta que o líquido de resfriamento evapora rapidamente, causando a formação de um filme fino de vapor isolante (efeito Leidenfrost). Esta fase de filme de vapor, isto é, é altamente dependente do calor de formação de vapor do líquido de resfriamento, das condições da superfície da peça de via férrea, por exemplo, cinzas ou a composição química e o design do tanque de resfriamento. Na segunda fase, a fase de ebulição, o líquido de resfriamento entra em contato direto com a superfície quente da cabeça do trilho e começa a ferver imediatamente, causando uma alta velocidade de resfriamento. A terceira fase, a fase de convecção, começa assim que a temperatura da superfície da peça de via férrea cai no ponto de ebulição do líquido de resfriamento. Nesta faixa, a velocidade de resfriamento é substancialmente influenciada pela velocidade de fluxo do líquido de resfriamento.

[039] A transição da fase de filme de vapor para a fase de ebulição geralmente ocorre de maneira relativamente descontrolada e espontânea. Como a temperatura do trilho está sujeita a certas flutuações de temperatura relacionadas à produção em todo o comprimento da peça de via férrea, existe o problema de que a transição da fase de filme de vapor para a fase de ebulição ocorre em momentos diferentes em diferentes zonas longitudinais da peça de via férrea. Isso levaria à formação de uma microestrutura não uniforme ao longo do comprimento da peça de via férrea e, portanto, a propriedades materiais não uniformes. Para unificar o tempo da transição da fase de filme de vapor para a fase de ebulição ao longo de todo o comprimento do trilho, um modo de operação preferencial prevê que durante a terceira etapa um meio de pressão gasoso para romper o filme, como o nitrogênio, seja fornecido ao trilho de cabeça ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea para romper o filme de vapor ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea e iniciar a fase de ebulição.

[040] Pode, em particular, proceder-se de modo que a condição do líquido de resfriamento seja monitorada durante a segunda e/ou quarta etapas ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea, e o meio de pressão gasoso para romper o filme seja fornecido à cabeça do trilho assim que a primeira ocorrência da fase de ebulição for detectada em uma região parcial do comprimento da peça de via férrea.

[041] De uma maneira preferida, o meio de pressão gasoso, que rompe o filme, é fornecido à cabeça do trilho por cerca de 20 a 100 s, em particular cerca de 50 s, após o início da segunda e/ou quarta etapas.

[042] A seguir, a invenção será explicada em mais detalhes por meio de modalidades exemplares.

EXEMPLO 1

[043] Em uma primeira modalidade exemplar, um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência foi formado por laminação a quente em um trilho de rolamento com uma seção de trilho padrão: 0,3% em peso de C 1,0% em peso de Si 1,74% em peso de Mn 0,31% em peso de Cr 0,1% em peso de Mo 0,014% em peso de S 0,014% em peso de P 20ppm Al 70ppm N

[044] O boro e o titânio não foram ligados. Saldo: ferro e elementos inadvertidos.

[045] Imediatamente após sair da cadeira de laminação, o trilho foi submetido ao calor do rolamento para resfriamento controlado. O dito resfriamento controlado é explicado em mais detalhes abaixo com referência ao diagrama de transformação tempo-temperatura representado na Fig. 1, em que a linha indicada por 1 representa o curso de resfriamento. Em uma primeira etapa, o trilho é resfriado a uma temperatura de 810 °C no ar ambiente. Em uma segunda etapa, o trilho é imerso no líquido de resfriamento por todo o seu comprimento e por toda a sua seção transversal, e uma taxa de resfriamento de 4 °C/s foi ajustada. Após cerca de 85 s, o trilho foi removido do banho de resfriamento e foi medida uma temperatura inicial da superfície da cabeça do trilho de 470 °C, tendo sido atingido o ponto 2. Durante um período de aproximadamente 45 s, o trilho foi mantido em uma posição removida do líquido de resfriamento. O reaquecimento a uma temperatura de 500 °C ocorreu nos primeiros 5 segundos. Ao atingir o ponto 3, o trilho foi novamente imerso no banho de resfriamento e resfriado a 440 °C (ponto 4) a uma taxa de resfriamento de 4 °C/s. Esta temperatura foi mantida por 100 segundos. Ao chegar ao ponto 5, o trilho foi resfriado à temperatura ambiente ao ar ambiente.

[046] O resfriamento controlado descrito acima resultou em uma cabeça do trilho com a seguinte microestrutura: 60 a 70% em volume de bainita isenta de carbonetos, 8 a 13% em volume de ferrita 11 a 18% em volume de austenita, 5 a 15% em volume de martensita.

[047] A microestrutura é ilustrada na Fig. 2. As seguintes propriedades do material foram medidas: Tensão de escoamento: 750 MPa + 10 MPa Resistência à tração: 1.130 MPa + 10 MPa Alongamento final: 17% + 1% Dureza da superfície: 330 HB + 5 HB Tenacidade à fratura KIc na amostra padrão à temperatura ambiente: 58 MPaVm ± 3 MPaVm

EXEMPLO 2

[048] Em uma segunda modalidade exemplar, um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência foi formado por laminação a quente em um trilho de rolamento com uma seção de trilho padrão: 0,5% em peso de C 1.1 % em peso de Si 1.5 % em peso de Mn 0,7% em peso de Cr 0,01% em peso de Mo 0,20% em peso de V 0,014% em peso de S 0,014% em peso de P 20ppm Al 70ppm N

[049] Saldo: Fe e elementos acompanhantes inadvertidos.

[050] O tratamento térmico foi realizado como no Exemplo 1.

[051] Para aumentar a resistência ao desgaste em relação à do Exemplo 1 (0,3% em peso de C), mas, ao mesmo tempo, manter a resistência à ruptura, foi utilizado um material com um teor de carbono significativamente mais alto (0,5% em peso) no exemplo 2.

[052] A vantagem de um maior teor de carbono reside em permitir um enriquecimento aprimorado tanto na austenita quanto na martensita, fortalecendo esses dois constituintes, o que tem um efeito muito positivo na resistência ao desgaste. O tratamento térmico (resfriamento acelerado), devido ao maior teor de carbono, reduz o aumento da inclinação para a formação de perlita - ou seja, a região onde ocorre a formação de perlita é passada rapidamente, de modo que nenhuma quantidade significativa de perlita possa precipitar na superfície da cabeça do trilho (até uma profundidade de 10 mm). Isso significa que a microestrutura continua a compreender os constituintes indicados anteriormente.

[053] As seguintes propriedades do material foram medidas: Tensão de escoamento: 900 MPa + 10 MPa Resistência à tração: 1.320 MPa + 10 MPa Alongamento final: 13% + 1% Dureza da superfície: 380 HB + 5 HB Tenacidade à fratura KIc na amostra padrão à temperatura ambiente: 53 MPa√m ± 3 MPa√m

Claims (24)

1. Peça de via férrea, em particular um trilho de aço de baixa liga para veículos ferroviários, em que o aço compreende, na cabeça do trilho da peça de via férrea, uma fração volumétrica de ferrita de 5 a 15% em volume, uma fração volumétrica de austenita de 5 a 20%, uma fração volumétrica de martensita de 5 a 20% em volume e uma fração volumétrica de bainita livre de carboneto de 55 a 75% em volume; em que aço de baixa liga compreende como elementos de liga carbono, silício, manganês, cromo, molibdênio e opcionalmente vanádio, fósforo, enxofre, boro, titânio, alumínio e/ou nitrogênio, e o saldo de ferro; e em que nenhum elemento de liga estar presente em uma quantidade superior a 1,8% em peso; caracterizada por ser utilizado um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,2 a 0,6% em peso de C 0,9 a 1,2% em peso de Si 1,2 a 1,8% em peso de Mn 0,15 a 0,8% em peso de Cr 0,01 a 0,15% em peso de Mo e, opcionalmente, 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro.

2. Peça de via férrea, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a fração volumétrica da bainita isenta de carbonetos ser de 60 a 70% em volume.

3. Peça de via férrea, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a fração volumétrica de ferrita ser de 8 a 13% em volume.

4. Peça de via férrea, de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada por a bainita formar uma matriz na qual austenita, martensita e ferrita são preferencialmente distribuídas homogeneamente.

5. Peça de via férrea, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por a fração volumétrica de austenita e a fração volumétrica de martensita estarem pelo menos parcialmente presentes na forma de ilha.

6. Peça de via férrea, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por ser utilizado um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,28 a 0,32% em peso de C 0,98 a 1,03% em peso de Si 1,7 a 1,8% em peso de Mn 0,28 a 0,32% em peso de Cr 0,08 a 0,13% em peso de Mo e, opcionalmente, 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro.

7. Peça de via férrea, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por ser utilizado um aço de baixa liga com a seguinte análise de referência: 0,44 a 0,52% em peso de C 1,05 a 1,17% em peso de Si 1,4 a 1,7% em peso de Mn 0,36 a 0,80% em peso de Cr 0,01 a 0,08% em peso de Mo e, opcionalmente, 0 a 0,25% em peso de V, em particular 0,01 a 0,25% em peso de V 0 a 0,016% em peso de P, em particular 0,01 a 0,016% em peso de P 0 a 0,016% em peso de S, em particular 0,01 a 0,016% em peso de S saldo: ferro.

8. Peça de via férrea, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada por a peça de via férrea ter uma resistência à tração Rm de 1.050 a 1.400 MPa na região da cabeça.

9. Peça de via férrea, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada por a peça de via férrea ter uma dureza de 320 a 400 HB na região da cabeça.

10. Método para a produção de uma peça de via férrea, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, a partir de uma seção laminada a quente caracterizada por a cabeça do trilho da seção laminada, imediatamente após ter deixado a cadeira de laminação , ser submetida a calor de laminação e a resfriamento controlado, o dito resfriamento controlado compreendendo em uma primeira etapa o resfriamento ao ar ambiente até atingir uma primeira temperatura de 780 a 830 °C, em uma segunda etapa o resfriamento acelerado a uma segunda temperatura de 450 a 520 °C, em uma terceira etapa a manutenção da segunda temperatura, em uma quarta etapa, o resfriamento ainda mais acelerado até atingir uma terceira temperatura de 420 a 470 °C, em uma quinta etapa a manutenção da terceira temperatura e em uma sexta etapa o resfriamento até a temperatura ambiente ao ar ambiente.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o dito resfriamento acelerado na segunda etapa ser realizado a uma taxa de resfriamento de 2 a 5 °C/s.

12. Método, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado por a terceira etapa se estender por um período de 10 a 300 s, de preferência 30 a 60 s.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado por o dito resfriamento acelerado na quarta etapa ser realizado a uma taxa de resfriamento de 2 a 5 °C/s.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado por a quinta etapa se estender por um período de 50 a 600 s, de preferência 100 a 270 s.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 14, caracterizado por o reaquecimento ocorrer durante a terceira e/ou a quinta etapas.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 15, caracterizado por a temperatura ser detectada em uma pluralidade de pontos de medição distribuídos ao longo do comprimento da peça de via férrea e ser formado um valor médio da temperatura, que é usado para controlar o dito resfriamento controlado.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 16, caracterizado por o dito resfriamento controlado ser realizado imergindo pelo menos a cabeça do trilho em um líquido de resfriamento.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 17, caracterizado por o resfriamento durante a segunda ou quarta etapa ser controlado de modo que o líquido de resfriamento forme inicialmente um filme de vapor na superfície da cabeça do trilho e subsequentemente ferva na superfície.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por, durante a segunda e/ou quarta etapa, um meio de pressão gasoso para romper o filme, como o nitrogênio, ser fornecido à cabeça do trilho ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea para romper o filme de vapor ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea e iniciar a fase de ebulição.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por a condição do líquido de resfriamento ser monitorada durante a segunda e/ou quarta etapas ao longo de todo o comprimento da peça de via férrea e o meio de pressão gasoso, que rompe o filme, ser fornecido à cabeça do trilho assim que a primeira ocorrência da fase de ebulição for detectada em uma região parcial do comprimento da peça de via férrea.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado por o meio de pressão gasoso, que rompe o filme, ser fornecido à cabeça do trilho por 20 a 100 s, em particular 50 s, após o início da segunda e/ou quarta etapas.

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 21, caracterizado por a peça de via férrea ser completamente imersa no líquido de resfriamento durante a segunda etapa.

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 22, caracterizado por a peça de via férrea ser mantida em uma posição removida do líquido de resfriamento durante a terceira e/ou quinta etapas.

24. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 23, caracterizado por, durante a quarta etapa, a peça de via férrea ser imersa no líquido de resfriamento apenas com a cabeça do trilho.