BRPI0821101B1

BRPI0821101B1 - Eixo forjado de tubo sem costura para veículos ferroviários e processo para fabricação de eixo forjado de tubo de aço sem costura para veículos ferroviários

Info

Publication number: BRPI0821101B1
Application number: BRPI0821101-9A
Authority: BR
Inventors: Faria Antunes Ronaldo; Antonio Filho Jose
Original assignee: Vallourec Soluções Tubulares Do Brasil S.A.
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2018-01-16
Also published as: CN101932737B; US20100308612A1; US9133533B2; MX2010005968A; PL2229461T3; CN101932737A; JP5497655B2; AU2008329579B8; EP2229461A1; BRPI0704944A2; CO6331373A2; JP2011511214A; BRPI0704944A8; RU2010126505A; BRPI0821101A8; BRPI0821101A2; UA101345C2; ZA201005279B; EP2229461B1; WO2009067773A1

Description

(54) Título: EIXO FORJADO DE TUBO SEM COSTURA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS E PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE EIXO FORJADO DE TUBO DE AÇO SEM COSTURA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS (51) lnt.CI.: C21D 9/28; C21D 8/10; C21D 1/02; C21D 8/04; C21D 11/00; C22C 38/04; B60B 35/08; B21J 5/06; B21K 1/06; C21D 1/28 (30) Prioridade Unionista: 30/11/2007 BR PI0704944-7 (73) Titular(es): VALLOUREC SOLUÇÕES TUBULARES DO BRASIL S.A.

(72) Inventor(es): RONALDO FARIA ANTUNES; JOSE ANTONIO FILHO

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para EIXO FORJADO DE TUBO SEM COSTURA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS E PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE EIXO FORJADO DE TUBO DE AÇO SEM COSTURA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS.

A presente invenção refere-se a eixos para uso em veículos ferroviários que são forjados de tubos sem costura, para reduzir o peso, cuja composição química e processo de fabricação são especialmente projetados para garantir elevada resistência mecânica e à fadiga. A invenção também se refere a um processo de fabricação deste eixo tubular.

Descrição da técnica anterior

Atualmente, o consumo de combustível e a emissão de poluentes no transporte ferroviário são grandes preocupações do setor ferroviário devido a suas implicações no custo de operação e no meio ambiente. A tara dos veículos ferroviários é um dos principais fatores que influencia esses parâmetros. Sobre este aspecto, nota-se que os eixos dos veículos ferroviários podem superar 10% da tara e são predominantemente maciços.

Além disso, em decorrência da amplificação do uso das vias ferroviárias como sistema de transporte, a tendência atual é que a carga e o peso transportados pelas ferrovias aumentem significativamente, o que pro20 voca, por consequência, um aumento da tensão aplicada sobre os eixos ferroviários, exigindo, portanto, uma melhora da resistência do material e adequação no projeto destes eixos, para que eles tenham uma boa durabilidade.

A busca de tecnologias para redução do peso através do conceito de eixo tubular no setor ferroviário já existe desde o século XIX, como mostra a patente US 44.434, intitulada Improvement in Car Axles, de B. J La Mothe, de 1864. Essa patente propõe que o eixo seja composto por vários tubos de diferentes diâmetros encaixados e fixados por interferência mecânica. Stewart, George W., autor da patente US 293.201, intitulada Car Axle, em 1884, reclamou a invenção de um eixo tubular com seção unifor30 me, cujas mangas para os mancais de fricção eram buchas maciças parcialmente introduzidas com interferência no eixo, até a região das rodas.

Pekham, E., autor da patente US 352.657, intitulada Car Axle,

2/27 em 1886, refere-se a uma proposta semelhante, destacando como avanço a aplicação de reforço interno tubular na ponta do eixo, que pode ser conformado posteriormente para formação da sede do mancai de fricção, que era o tipo de mancai adotado na época.

Ernest Kreissig, autor da patente inglesa GB 360.521, concedida em 1931, intitulada Improvements in (...) Hollow Shafts, não se refere propriamente ao eixo ou a sua fabricação, mas a uma barra (ou tubo) previamente submetida e mantida sob tensão de tração no interior de eixos tubulares para submetê-los a tensões de compressão, compensando proporcio10 nalmente as tensões de tração resultantes da flexão do eixo sob as condições normais de operação.

Oelkers, Alfred H., autor da patente US 1.902.910, intitulada Antifriction Wheel and Axle Construction, em 1933, propôs variações de eixos e rodas combinando tubos concêntricos, ponteiras maciças e rolamen15 tos, permitindo em uma das combinações, que o eixo fosse estático e apenas as rodas girassem, ao contrário da situação clássica de eixo e rodas que giram solidários.

Urschel, B. H., autor da patente US 2.512.186 em 1950, intitulada Vehicle Axle, refere-se a mais uma proposta de composição de tubos, e cita outras variações, como um eixo com uma câmara anular formada pelo eixo e um tubo interno preenchida com líquido cuja função seria a transferência de calor do eixo para o ambiente.

Blackwood, W., autor da patente US 2.747.918, intitulada Railway Vehicle Axles, concedida em 1956, propôs a combinação de um eixo maciço convencional dentro de um eixo tubular, cujo espaço seria preenchido com unidades de material resiliente, como borracha. Nesse caso, o objetivo era atenuar choques e distribuir uniformemente os esforços, evitando assim problemas de fadiga.

Adrianne, J. L. C., autor da patente Suíça CH 376.955, intitula30 da Procedé pour Ia fabrication d’essieux de matériel roulant, concedida em 1958, propôs mais variantes de eixos tubulares, destacando o processo de laminação a quente das extremidades através de três cilindros escalonados,

3/27 com o perfil desejado das pontas.

Quanto ao material utilizado para a fabricação de eixos ferroviários, alguns fabricantes, como por exemplo os brasileiros e norteamericanos, buscam seguir os padrões das normas técnicas da Associação

Americana de Ferrovias AAR (American Association of Railroads). De acordo com as normas da AAR, as composições dos eixos ferroviários devem atender aos seguintes critérios mostrados na tabela 1 abaixo.

Tabela 1: Normas Técnicas da AAR (AAR Manual of Standards and

Recommended Practices - Wheels and Axles - Axles, Carbon Steel,

Heat-Treated - Specification M-101 - Revision 2004) para a composição química de eixos ferroviários_

	Referência de tratamento a quente do eixo
Grau F (Duplamente normalizada e revenida)	AAR - Grau G (temperados e revenidos) e AAR - Grau H (Normalizado, temperado e revenido)
Elemento	Min	Máx	Min	Máx	Unidade
C	0,45	0,59	-		% em peso
Mn	0,60	0,90	0,60	0,90	% em peso
P	-	0,045		0,045	% em peso
S	-	0,050		0,050	% em peso
Si	0,15	-	0,15	-	% em peso

Novos desenvolvimentos relacionados à técnica de eixos ferroviários se sucederam desde então e o conceito tubular atualmente é utilizado em carros de passageiros de trens de alta velocidade, locomotivas e vagões de carga.

Atualmente, a técnica anterior relacionada a eixos ferroviários compreende, por um lado, o uso de eixos maciços utilizando ligas metálicas que atendem às normas técnicas da AAR, sendo que estes eixos são produzidos a partir de barras que são transformadas em vigas, e cujas proprieda20 des mecânicas também atendem às normas técnicas da AAR.

Por outro lado, a técnica anterior relacionada a eixos ferrovia4/27 rios também compreende o uso de eixos tubulares. Estes eixos são produzidos a partir de barras forjadas que são perfuradas por usinagem. Estes eixos tubulares possuem um peso 20% inferior àqueles constituídos de eixos maciços, porém seu processo de fabricação proporciona um grande desperdício de matéria-prima, bem como possui um elevado custo operacional, em troca de uma pequena redução de peso.

Também são conhecidos da técnica anterior eixos ferroviários tubulares, constituídos de tubos sem costura, que são produzidos por forjamento. Estes eixos possuem um peso aproximadamente 40% inferior aos eixos maciços.

O documento de patente EP044783 A1 revela um processo de fabricação de um eixo forjado para ferrovias, que pode ser um fabricado a partir de um tubo ou ainda de uma peça maciça. Neste processo, a peça de trabalho é aquecida e depois sofre simultaneamente uma etapa de recalca15 mento da parte intermediária junto com uma etapa de conformação das suas pontas com matrizes fechadas. Este documento não descreve tratamentos térmicos que busquem melhorar as propriedades de fadiga, dureza e resistência de um eixo tubular, e nem descreve uma composição específica deste eixo para também alcançar estas mesmas propriedades.

O documento de patente EP 0052308 descreve uma peça de trabalho forjada de aço altamente solicitada que, após ser forjada a quente, é submetida a uma têmpera. Esta peça de trabalho possui um teor de 0,05 a 0,25% em peso de carbono e de 1,0 a 2,0% em peso de manganês. Este documento não prevê a aplicação deste processo e nem desta peça de tra25 balho a eixos tubulares para ferrovias, nem identifica ou descreve diversas etapas de processamento necessárias à transformação desta peça de trabalho em um tubo sem costura. Também não são previstas neste documento faixas de valores de propriedades físicas que esta peça deve apresentar, tais como *p4/l25 ok limite de escoamento, limite de resistência, alongamen30 to e resistência à fadiga.

O documento de patente US 4.895.700 prevê um eixo para veículos ferroviários que seja maciço e apresente um teor de 0,40 a 0,48% em

5/27 peso de carbono, de 1,35 a 1,61% em peso de manganês, de 0,16 a 0,30% em peso de silício, de 0 a 0,23% em peso de cromo. Esta composição é adaptada para formar eixos variando de 5,33 cm a 6,6 cm de diâmetro, e suportar cerca de 14,7 a 19,6 toneladas. Portanto, a aplicação do eixo e suas dimensões muito reduzidas são distintas daquelas da presente invenção, e, além disso, ele não apresenta uma geometria tubular.

Os eixos maciços apresentam muitas vezes uma resistência maior do que aquela necessária para suportar a carga à qual eles são submetidos. Isso significa que estes eixos podem apresentar um peso superior àquele necessário, o que causa um gasto de material na constituição do eixo que poderia ser evitado.

Por outro lado, o conceito tubular, principalmente no caso de tubos sem costura que têm espessuras menores do que os eixos de barra perfurada, implica, consequentemente, que algumas porções do eixo ficarão sujeitas a tensões maiores e outras ficarão sujeitas a deformações maiores do que os demais eixos (maciços ou de barras perfuradas) sob as mesmas condições de carregamento.

Objetivos da Invenção

Um primeiro objetivo da invenção é de proporcionar um eixo tubular com menor peso e que possua, ao mesmo tempo, propriedades de resistência à fadiga e, dureza e robustez melhoradas, permitindo suportar altas tensões aplicadas sobre ele.

Um outro objetivo da invenção é de proporcionar um eixo tubular e um processo de fabricação do mesmo que propiciem uma economia do material utilizado para a constituição deste eixo, bem como apresentem baixo custo de produção.

É também objetivo da invenção proporcionar um eixo tubular constituído de um material com propriedades aperfeiçoadas de resistência à fadiga e dureza, e que apresente boa durabilidade.

Outro objetivo da invenção consiste em se proporcionar um processo para produção de eixos tubulares que realize um controle de qualidade aperfeiçoada dos eixos produzidos, devido aos modernos recursos

6/27 computacionais, metodologias de produção e técnicas de inspeção.

É ainda objetivo da invenção proporcionar um processo para produção de eixos tubulares que permita o controle estatístico de processo e de determinadas propriedades dos eixos, a fim de garantir que os eixos estejam adequados a diferentes finalidades e aplicações distintas.

Breve Descrição da Invenção

Os objetivos da invenção são alcançados por meio de um eixo forjado de tubo de aço sem costura para veículos ferroviários, que é constituído de um material de liga metálica de aço compreendendo de 0,22 a 0,42% em peso de carbono; de 1,10 a 1,70% em peso de manganês, sendo que o eixo acabado possui as propriedades de: um limite de escoamento mínimo de 520 MPa, um limite de resistência mínimo de 750 MPa e alongamento mínimo de 16%.

O material de liga metálica pode compreender pelo menos um dentre os seguintes teores de elemento: até 0,020% em peso de enxofre, até 0,020% em peso de fósforo, de 0,10 a 0,45% em peso de alumínio, de 0,10 a 0,35% em peso de silício, de 0,10 a 0,30% em peso de molibdênio, de 0,010 a 0,050% em peso de nióbio; e de 0,05 a 0,27% em peso de vanádio.

Alternativamente, o material de liga metálica compreende de 0,22 a 0,32% em peso de carbono e de 1,10 a 1,40% em peso de manganês, ou ainda de 0,32 a 0,42% em peso de carbono e de 1,40 a 1,70% em peso de manganês.

O material de liga metálica compreende alternativamente até 0,010% em peso de fósforo, e até 0,010% em peso de enxofre.

Amostras de eixos testados sendo girados, enquanto submetidos a uma tensão de encurvamento apresentam limite mínimo de fadiga de 120 MPa e preferivelmente de 170 MPa.

Os objetivos da invenção são também alcançados por meio de um processo para fabricação de eixo forjado de tubo de aço sem costura para veículos ferroviários, que compreende as seguintes etapas:

- fusão de um material de liga metálica gerando o material de liga metálica de aço;

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- lingotamento do material fundido, formando produtos lingotados;

- reaquecimento dos produtos lingotados em forno de reaquecimento para perfuração;

- perfuração dos produtos lingotados;

- alongamento dos produtos perfurados formando lupas;

- acabamento das lupas, transformando-as em tubos sem costura;

- forjamento dos tubos sem costura, transformando-os em eixos forjados de tubos sem costura para veículos ferroviários.

O processo pode compreender ainda, após a etapa de fusão, uma etapa de refino secundário, em que são feitos ajustes na composição química da liga metálica, e tratamento metalúrgico com cálcio-silício, bem como, após a etapa de refino secundário, uma etapa de desgaseificação a vácuo.

A etapa de lingotamento pode ser realizada sob agitação eletromagnética. Após a etapa de lingotamento, o produto lingotado pode ser submetido a uma etapa de reaquecimento auxiliar a uma temperatura de 880° a 1300° C por um tempo entre 1 hora e 48 horas. Após a etapa de reaquecimento auxiliar, o processo pode ainda incluir uma etapa de laminação.

A etapa de reaquecimento para perfuração é preferivelmente realizada em forno de reaquecimento a temperaturas entre 1000 e 1300°C.

Alternativamente, o processo possui uma etapa de reaquecimento da lupa entre 820°C e 980°C antes da etapa de acabamento das *lupas e, após o acabamento das lupas, as peças de tubo do eixo, ainda na forma de tubos sem costura, são submetidas a um leito de resfriamento.

Preferivelmente, antes da etapa de forjamento, os tubos sem costura são normalizados, em que os tubos sem costura são mantidos a temperaturas entre 880°C e 950°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão, pulo, e em seguida os tubos sem costura são submetidos a um resfriamento ao ar.

Alternativamente, antes da etapa de forjamento, os tubos sem costura são temperados, em que o resfriamento acelerado das peças de tubo do eixo é realizado por um meio selecionado dentre água e óleo. Os tu8/27 bos sem costura podem ser ainda revenidos em um forno de reaquecimento, onde são mantidos a temperaturas entre 400°C e 700°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão, e em seguida as peças de tubo do eixo são submetidas a um resfriamento ao ar.

Alternativamente, antes da etapa de forjamento, os tubos sem costura são desempenados a quente, e seguem para um leito de resfriamento. O processo pode também compreender, antes da etapa de forjamento, uma etapa de inspeção dos tubos por ensaios não destrutivos de dimensões e descontinuidades superficiais, e/ou uma etapa de acabamento, que compreende a usinagem sobre toda a superfície interna dos tubos sem costura. Após a usinagem, pode ser realizada a retificação da superfície interna dos tubos sem costura, ou ainda o brunimento da superfície interna dos tubos sem costura.

Preferivelmente, antes da etapa de forjamento, é realizada uma etapa de recalque, em que os tubos sem costura são aquecidos entre 800°C e 1300°C na região onde a espessura será aumentada, e em seguida é aplicada uma força longitudinal compressiva na direção axial através do avanço de pelo menos uma ferramenta de *recalque, pelo que obtém-se um tubo sem costura recalcado.

A etapa de forjamento é feita a quente e pode ser realizada em temperaturas na faixa de 800°C e 1300°C por meio de pelo menos duas matrizes de curso variável que oscilam radialmente, uma ferramenta auxiliar de recalque e um manipulador para translação e rotação do tubo sem costura, os quais são comandados por controle numérico computadorizado, e/ou realizados por forjamento a quente e a frio em uma faixa de temperatura desde a temperatura ambiente até 800°C, ou por forjamento a quente em temperaturas entre 800°C e 1300°C por pelo menos uma matriz que comprime axial e radialmente as extremidades do tubo, transformando-o em um eixo forjado. Caso o forjamento seja a quente, o processo compreende ainda uma etapa de resfriamento após o forjamento, em que o resfriamento é realizado em um meio selecionado dentre os seguintes meios: ao ar, ao ar forçado, em água, e em óleo.

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O processo pode compreender ainda uma etapa de normalizar pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando forno para reaquecimento a temperaturas entre 880°C e 950°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão e resfriamento ao ar, e/ou uma etapa de temperar pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando para austenitizar um forno para reaquecimento a temperaturas entre 880°C e 950°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão e para temperar um resfriamento acelerado com água, e/ou uma etapa de revenir pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando fomo para reaquecimento a temperaturas entre 400°C e 700°C por pelo me10 nos 10 minutos de tempo de imersão e resfriamento ao ar.

Altemativamente, a etapa de acabamento compreende pelo menos uma das seguintes etapas: jateamento da superfície interna do tubo, desempeno do tubo, usinagem interna dos furos de inspeção nas duas extremidades do tubo, usinagem do chanfro na aresta do diâmetro interno dos furos de inspeção do tubo, e usinagem de pelo menos dois furos com rosca e um rebaixo liso em cada extremidade. Após a etapa de acabamento, uma etapa de tratamento térmico de têmpera e revenimento pode ser aplicada a pelo menos parte do eixo forjado, e uma etapa de inspeção final de defeitos superficiais da peça de tubo do eixo é realizada.

Finalmente, os objetivos da invenção são também alcançados por meio de um eixo com a composição e as propriedades aqui descritas, e que é produzido por um processo do tipo aqui descrito.

Breve Descrição das Figuras

Para melhor compreensão, as características e vantagens da presente invenção serão apresentadas e descritas em conjunto com suas respectivas figuras, as quais ilustram algumas modalidades preferidas da invenção.

A figura 1 representa uma vista frontal de uma modalidade preferida do eixo ferroviário tubular de acordo com a presente invenção.

A figura 2 representa uma vista frontal em corte de uma modalidade preferida do eixo ferroviário tubular de acordo com a presente invenção. A figura 3 representa uma vista frontal em corte de um detalhe da pon10/27 ta do eixo ferroviário tubular de acordo com a presente invenção.

A figura 4 representa uma vista lateral esquerda do eixo ferroviário tubular.

A figura 5 representa uma vista frontal em corte de um tubo sem costura e de uma ferramenta de recalque que se desloca axialmente.

A figura 6 representa uma vista frontal em corte de um tubo sem costura após uma operação de recalque, onde a espessura da ponta foi aumentada.

A figura 7 representa uma vista frontal em corte de um tubo sem costura, após uma operação de recalque, submetido à translação e rotação, com duas matrizes abertas que oscilam radialmente e têm curso variável e uma ferramenta auxiliar de recalque axial.

A figura 8 representa uma vista frontal em corte do tubo sem costura, após uma operação de recalque, com uma matriz que comprime axial e radialmente uma das extremidades do tubo, reduzindo o seu diâmetro.

A figura 9 representa uma vista frontal em corte de um tubo sem costura após uma operação de forjamento em uma extremidade, seja por matriz aberta oscilante ou por matriz semiaberta de compressão axial e radial.

A figura 10 representa uma vista frontal em corte de um tubo sem costura após operações de forjamento nas duas extremidades, seja por matriz aberta oscilante ou por matriz semiaberta de compressão axial e radial.

A figura 11 apresenta um fluxograma do processo de fabricação de eixo ferroviário tubular de acordo com a presente invenção, sendo uma modalidade preferida destacada em cinza.

Descrição Detalhada da Invenção

As figuras 1 e 2 ilustram uma modalidade preferida do eixo forjado de um tubo sem costura para veículos ferroviários de acordo com a presente invenção, e o fluxograma da figura 11 ilustra um processo preferido de fabricação deste eixo. As principais seções do eixo tubular são a manga ou sede do mancal 1, sede do labirinto 2, sede da roda 3 e corpo 4. A figura 2 mostra que a espessura da parede das respectivas seções pode ser variável.

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A ponta do eixo ferroviário tubular de acordo com a presente invenção é mostrada em detalhes na figura 3. O eixo apresenta preferivelmente três furos com rosca 5 e com rebaixo 6 em cada ponta para fixação das tampas dos rolamentos e um chanfro 7 para apoio entre pontas cônicas com ângulo 8. A superfície interna 9 da ponta pode ser usada para acoplamento de sondas de inspeção por ultrassom para inspeção da manga 1, labirinto 2 e, em alguns casos, de parte da sede de roda 3. A superfície interna 10 pode ser usada para acoplamento de sondas de inspeção por ultrassom para inspeção da sede de roda 3 e do corpo 4.

Na figura 4, em que é representada uma vista lateral esquerda do eixo ferroviário tubular, são mostrados os três furos com rosca 5, o rebaixo 6, e o chanfro 7 para apoio entre pontas cônicas.

Os eixos forjados de tubos sem costura de acordo com a presente invenção possuem um formato tal como mostrado nas figuras com uma espessura variável, ou seja, com uma distribuição de material variável ao longo de seu comprimento, de modo a propiciar uma maior robustez e resistência à fadiga apenas no ponto onde o eixo sofre maior solicitação de carga. Este formato já é em si conhecido da técnica anterior.

Porém, o eixo forjado de tubo sem costura de acordo com a presente invenção possui um desempenho superior àquele dos eixos de mesmo formato conhecidos da técnica anterior, pois é constituído de um material com propriedades mecânicas superiores, as quais são ainda potencializadas por meio do processo de fabricação destes eixos de acordo com a presente invenção. A composição do eixo forjado de tubo sem costura de acordo com a presente invenção, assim como seu processo de fabricação permitem que as propriedades do material sejam adequadamente especificadas para compensar as variações de carga às quais o eixo é submetido.

As propriedades químicas, mecânicas e metalúrgicas consideradas nesse desenvolvimento para adequação do material à aplicação são:

a composição química, a resistência mecânica (tensão de escoamento, tensão de ruptura, limite de fadiga, alongamento, estricção, dureza) e a microestrutura (fases e constituintes, tamanho de grão). A maioria dessas proprie................................. s mr&&^

12/27 dades está inter-relacionada e associada às características específicas dos processos de fabricação de tubos de aço sem costura laminados a quente, forjamento a quente e tratamentos térmicos.

Com base no exposto acima, foi desenvolvida uma composição 5 química para a liga metálica de aço que compõe o eixo de tubo sem costura, a qual compreende de 0,22 a 0,42% em peso de carbono e de 1,10 a 1,70% em peso de manganês, sendo que o material de liga metálica possui um limite de escoamento mínimo de 520 MPa, um limite de resistência mínimo de

750 MPa e alongamento mínimo de 16%.

A composição pode compreender ainda baixos teores de molibdênio, alumínio, nióbio, vanádio e outros metais. Por exemplo, a liga metálica pode compreender 0,10 a 0,45% em peso de alumínio e/ou de 0,10 a 0,35% em peso de silício e/ou de 0,10 a 0,30% em peso de molibdênio e/ou de 0,010 a 0,050% em peso de nióbio, e/ou de 0,05 a 0,27% em peso de vanádio.

Em uma modalidade alternativa da invenção, a liga metálica compreende até 0,020% em peso de enxofre e/ou até 0,020% em peso de fósforo, ou ainda preferivelmente até 0,010% em peso de fósforo e/ou até 0,010% em peso de enxofre.

De acordo com uma modalidade alternativa da invenção, a liga metálica do eixo tubular compreende de 0,22 a 0,32% em peso de carbono e de 1,10 a 1,40% em peso de manganês, podendo compreender ainda até 0,020% em peso de fósforo, e/ou até 0,020% em peso de enxofre, e/ou de 0,10 a 0,35% em peso de silício, e/ou de 0, 10 a 0,30% em peso de molibidênio, e/ou de 0,10 a 0,45% em peso de alumínio, e/ou de 0,010 a 0,050% em peso de nióbio, e/ou de 0,05 a 0,27% em peso de vanádio.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, o material de liga metálica do eixo tubular compreende de 0,32 a 0,42% em peso de carbono, e de 1,40 a 1,70% em peso de manganês, podendo compreender ainda até 0,020% em peso de fósforo, e/ou até 0,020% em peso de enxofre, e/ou de 0,10 a 0,35% em peso de silício, e/ou de 0,10 a 0,30% em peso de molibidênio, e/ou de 0,10 a 0,45% em peso de alumínio, e/ou de 0,010 a 0,050% em peso de nióbio, e/ou de 0,05 a 0,27% em peso de vanádio.

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A matéria-prima da liga metálica de aço é preferivelmente ferro-gusa, ou sucata, ou ainda uma mistura em qualquer proporção de ferrogusa e sucata.

A tabela 2 abaixo contém as faixas de elementos químicos que estão contidos na composição química do produto, de acordo com uma modalidade da invenção.

Tabela 2 - faixas da composição química (% em peso) de acordo com uma modalidade da invenção_

% em peso	C	Mn	P	s	Si	Mo	Al	Nb	V
Mín	0,22	1,10		-	0,10	0,10	0,10	0,010	0,05
Máx	0,42	1,70	0,010	0,010	0,35	0,30	0,45	0,050	0,27

No projeto dessa composição química, cada elemento foi cuidadosamente ajustado de acordo com os critérios descritos a seguir.

O manganês, sendo um elemento substituinte em solução sólida, proporciona aumento de resistência à medida que é adicionado.

Elementos intersticiais, como o carbono e nitrogênio, devem ser reduzidos com o objetivo de maximizar o teor de manganês em solução sólida, e assim, melhorar a resistência mecânica. Neste sentido, elementos como o alumínio, cuja principal função é a desoxidação, mas também contribui para a resistência, nióbio e molibdênio, contribuem com a remoção dos elementos intersticiais da matriz, minimizando a formação de carbonetos de manganês. O teor de Carbono, entretanto, não deve ser muito baixo para a garantia da resistência mecânica necessária à sua aplicação juntamente com os demais elementos, e para não comprometer a temperabilidade, visto que o manganês também abaixa a temperatura de formação da martensita, o que por outro lado é parcialmente compensado pelo alumínio.

Elementos tais como enxofre e fósforo devem ser os mais baixos possíveis, pois estão associados a microinclusões e a microssegregações, fatores que reduzem a resistência à fadiga do material. Demais elementos como silício e outros já mencionados (C, Mo, Nb) contribuem para o

14/27 aumento da resistência mecânica por meio de mecanismos de endurecimento diversos como solução sólida, precipitação de carbonetos e refinamento de grãos.

A tabela 3 a seguir ilustra comparativamente as especificações das propriedades mecânicas e do tamanho do grão de acordo com os padrões da AAR (AAR Manual of Standards and Recommended Practices Wheeis and Axles - Axles, Carbon Steel, Heat-Treated - Specification M101 - Revision 2004) para eixos ferroviários e seus respectivos tratamentos a quente, assim como os resultados de propriedades mecânicas e de tama10 nho do grão de uma modalidade da invenção.

Tabela 3 - especificações das propriedades mecânicas e do tamanho do grão de acordo com os padrões da AAR (AAR Manual of Standards and Recommended Practices - Wheeis and Axles - Axles, Carbon Steel, HeatTreated - Specification M-101 - Revision 2004) para eixos ferroviários e seus respectivos tratamentos a quente, assim como os resultados de propriedades mecânicas e de tamanho do grão de uma modalidade da invenção.

Material	Limite	de	Resistência	Alonga	Tamanho de grão
(Tratamento a quente)	elasticidade (MPa)	à tensão (MPa)	ga- mento (%)	de acordo com ASTM E112
AAR - Grau F (Dupiamente normalizado e revenido)	345		610	22	>5
AAR - Grau G (Temperado e revenido)	380		620	20	>5
AAR - Grau H (Normalizado, temperado e revenido)	520		790	16	>5
Resultados de uma modalidade da invenção	610		840	17	7-9

O limite de fadiga de um material pode ser avaliado por testes de laboratório de rotação e flexão à temperatura ambiente, em que muitas amostras são testadas à falha em estabelecer a curva de tensão (S) x vida (N

- número de ciclos até a falha) para o material. As amostras são testadas sendo rodadas enquanto sujeitas a uma carga de flexão. Isso resulta em uma

15/27 tensão de flexão alternada de uma forma semelhante àquela presente no eixo em escala real. Se a carga de flexão é constante, como resultado, a taxa de mínima a máxima tensão (R) é sempre -1. Supõe-se que há uma tensão mínima na curva tensão-vida (S-N) do material, abaixo da qual não é observada qualquer falha com o aumento do número de ciclos. Essa tensão é definida como limite de fadiga do material. Amostras de eixo, sendo testadas por rotação, enquanto submetidas a uma carga de flexão, de acordo com uma modalidade da invenção, mostram um limite de fadiga de 120 MPa. Em uma outra modalidade da invenção um limite de fadiga de 170 MPa pode ser obtida.

Em vista das diferentes propriedades físicas que cada um destes elementos químicos proporciona ao material de liga de aço, pode-se ajustar a composição química deste material, em função das propriedades que o eixo tubular deve possuir, dependendo da aplicação específica em que ele será utilizado. Como diversas etapas do processo da presente invenção são controladas numérica e eletronicamente, com o auxílio de um computador, é possível configurar este processo para a obtenção de eixos com a composição química desejada.

Com auxílio do fluxograma apresentado na figura 11, a seguir são apresentadas as principais etapas das modalidades preferenciais e alternativas do processo de fabricação do eixo que são objeto da presente invenção juntamente com o próprio eixo obtido dessas maneiras.

Inicialmente, a matéria-prima da liga metálica é fundida, gerando material fundido de liga metálica de aço. A fusão da liga usada neste produto pode ser realizada utilizando convertedor LD ou um forno elétrico a arco (EAF), e como matéria-prima, ferro-gusa, sucata ou uma mistura de ferro-gusa e sucata em qualquer proporção. O convertedor LD deve ser equipado com sopro submerso o que permite o uso de argônio e/ou nitrogênio durante todo o processamento. Esta etapa é preferivelmente totalmente con30 trolada por computador através de modelos estáticos e dinâmicos, oriundos de desenvolvimento próprio. A medição automática da temperatura durante o sopro e o cálculo da adição de liga fazem parte desse sistema. Essa rotina \ t. Í. . =. ir* -tíáS'*⁵» ^jf-sriSLr^i. ^e>! <£!.*“· ^2ίΗ^%!^^^ϊώ5±ΐί!<- »X. “áa^ _ Ar^is-Af .ϊΰ^Ά^-νι. ^ω--~ ^«κ,-Α. -£^

16/27 garante ao produto os baixos teores necessários de fósforo e enxofre.

Em seguida o aço pode ser submetido ao refino secundário, quando são feitos os ajustes na composição química, bem como o tratamento metalúrgico com cálcio-silício. Este refino secundário é preferivelmente realizado em forno panela. A adição de ligas, o tratamento com cálcio silício, o borbulhamento de argônio e as retiradas de amostras devem ser feitas neste equipamento, de preferência, de forma totalmente automatizada. Através deste processo garante-se a produção do aço numa estreita faixa de composição com vista ao atendimento da qualidade do produto. Com o re10 sultado do borbulhamento do gás inerte e do uso de escórias sintéticas, o teor de enxofre pode atingir níveis bem baixos. O refino secundário em forno panela também melhora a micropureza, ou seja, menor quantidade e tamanho de inclusões permite uma melhor distribuição dos elementos de liga e um melhor ajuste da temperatura do aço líquido.

Após o refino secundário em forno panela, o material pode ser desgaseificado a vácuo com o objetivo de minimizar os teores de gases como o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. Neste equipamento é possível chegar a uma pressão de 0,2 kPa (2 mbar), além de permitir a injeção de argônio mesmo em vácuo profundo. Com isso, pode-se obter facilmente um nível de hidrogênio e de oxigênio bem baixos.

O processo compreende ainda uma etapa de lingotamento do material fundido, produzindo um produto lingotado. O lingotamento pode ser continuo ou na forma convencional.

Caso seja realizado o lingotamento contínuo, o aço é encami25 nhado para uma máquina de lingotamento contínuo, que será efetuado preferencialmente sob agitação eletromagnética. Em uma modalidade preferida da invenção, esta máquina é equipada com bobinas de agitação eletromagnética dupla que proporcionam uma melhor qualidade do material lingotado quanto à segregação de elementos e porosidade central, o que também con30 tribui para a resistência à fadiga do material.

No caso do lingotamento ser realizado de maneira convencional, pode ser necessário transformar os lingotes em barras lingotadas de perfil

17/27 redondo, antes de submeter o material à perfuração, a etapa seguinte de produção.

Os produtos lingotados na forma de barras produzidas após o lingotamento contínuo ou convencional preferivelmente são submetidos a uma etapa de reaquecimento auxiliar a uma temperatura de 880° a 1300° C por um tempo entre 1 hora e 48 horas.

As barras lingotadas por lingotamento contínuo ou convencional são também cortadas em blocos com comprimento adequado antes de serem empregados nas usinas de perfuração de blocos.

Após este reaquecimento auxiliar, as barras ou blocos que ainda não possuem perfil redondo podem passar por uma etapa de laminação, para formar barras de perfil redondo.

Antes da etapa de perfuração dos blocos, o produto lingotado e, quando for o caso, também laminado é submetido a uma etapa de reaque15 cimento para perfuração, na qual o produto é aquecido preferivelmente a uma temperatura entre 1000°C a 1300°C em um forno de reaquecimento apropriado.

Em seguida, a perfuração pode ser realizada usando um laminador perfurador a quente de blocos com rolos oblíquos, através de uma prensa de perfuração ou de um processo ou equipamento combinado de prensa de perfuração de perfuração e laminador.

Após esta etapa de perfuração, ocorre o alongamento dos blocos perfurados, que pode ser realizado através de laminador do tipo Pilger, ou laminador com Mandris (Plug Mill), ou laminador do tipo MPM, ou lamina25 dor do tipo PQF, ou laminador do tipo Assei, ou através de uma prensa de extrusão. Alternativamente, pode-se realizar o alongamento do bloco perfurado e transformá-lo numa lupa utilizando uma forja, ou qualquer outro tipo de equipamento apropriado disponível no mercado.

Após o alongamento, pode vir a ser necessário, dependendo do projeto das instalações industriais, uma etapa de reaquecimento das lupas a temperaturas entre 880°C e 980°C, antes da realização da etapa de acabamento das lupas, transformando-as em tubos sem costura.

18/27

Este acabamento das lupas pode ser realizado utilizando equipamentos do tipo laminador acabador, sendo por exemplo, um laminador calibrador a quente do tipo Sízing Mill, laminador redutor a quente do tipo Reducing Mill, ou laminador estirador-redutor, ou laminador alisador do tipo

Reeler, este último no caso de ter sido usado o laminador tipo Mandril para fazer o alongamento dos blocos perfurados. Após as etapas de alongamento da laminação a quente, os tubos sem costura são submetidos a um resfriamento intermediário preferivelmente à temperatura ambiente.

Em uma modalidade preferida da invenção, os blocos são Ιοί 0 minados via laminação automática (Plug Mill), para tubos com diâmetro externo entre 168,3 e 365,1 mm (6 a 14 polegadas).

Em uma modalidade preferida da invenção, na laminação automática, o bloco é reaquecido em um forno de soleira oscilante em temperaturas entre 1100°C e 1300°C, ou ainda entre 1000°C e 1200°C. Em segui15 da, o bloco inicia uma etapa de laminação a quente, na qual ele é perfurado num laminador oblíquo. Após a perfuração, o bloco perfurado passa a ser denominado *lupa, a qual é transportada para uma etapa de alongamento através de uma laminação a quente, preferivelmente por meio de laminador com mandrís (Plug Mill), quando se obtém uma espessura de parede bastan20 te próxima da especificada para o produto final, através do controle de aberturas do cilindro, aberturas da guia e posição do mandril.

Em seguida a lupa resultante deste processo passa por mais uma laminação a quente, preferivelmente realizada com um *laminador acabador de alisamento (Reeler Mill) que efetua o alisamento interno e externo do tubo sem costura com expansão do diâmetro externo.

A lupa segue para um resfriamento intermediário, é reaquecida e submetida à laminação final em um laminador acabador.

Ao final do processo de produção dos tubos sem costura, estes são direcionados para leitos de resfriamento e podem seguir diferentes rotas conforme o estado da matéria-prima requerida para o forjamento: laminado, normalizado ou temperado e revenido, ou ainda uma combinação destes tratamentos térmicos.

19/27

Os tubos sem costura, quando ainda estão no estado laminado para serem posteriormente forjados, preferivelmente seguem para o desempeno a quente em desempenadeira rotativa com três pares de rolos e depois seguem para um leito de resfriamento. O forjamento posterior pode ser reali5 zado a frio ou a quente.

Os tubos sem costura que seguem o percurso de normalização permanecem no leito para o resfriamento, até a sua completa transformação, antes de serem reaquecidas preferivelmente em um forno de soleira oscilante, a uma temperatura na faixa de 880°C a 950°C por pelo menos 10 minu10 tos. Em seguida as peças de tubo do eixo são submetidas a um resfriamento ao ar.

Os tubos sem costura que seguem o percurso de têmpera são reaquecidos a uma temperatura na faixa de 880°C a 950°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão. Em seguida as peças de tubo do eixo são submetidas a um resfriamento a água ou a óleo.

Os tubos sem costura previamente laminados, ou normalizados, ou temperados, que seguem o percurso de têmpera, são submetidos a um resfriamento acelerado realizado preferivelmente com água ou óleo.

Os tubos sem costura que seguem o percurso de revenimento 20 são aquecidos em um forno de reaquecimento, onde são mantidos a temperaturas entre 400°C e 700°C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão, e em seguida são submetidos a um resfriamento ao ar.

Em seguida aos tratamentos térmicos e antes do forjamento, os tubos são desempenados a quente, por exemplo, em desempenadeira rotativa.

Após o resfriamento e desempeno, as lupas ou tubos sem costura são enviados para inspeção por ensaios não destrutivos quanto a dimensões e descontinuidades. São medidos e registrados a espessura de parede, o diâmetro externo e o comprimento de cada peça. Também são analisadas as descontinuidades externas e internas, longitudinais, transversais e, eventualmente, oblíquas. As peças que apresentam desvios fora das tolerâncias são automaticamente marcadas para segregação dos segmentos

20/27 com indicação de desvio. Os testes de inspeção não destrutiva podem ser feitos por meio de ultrassom com feixe sônico de ângulo fixo, ou ainda por meio de ultrassom com feixe sônico de ângulo variável, ou por meio de correntes parasitas, ou ainda por meio de partículas magnéticas.

Na etapa seguinte de inspeção visual e dimensional, as peças que apresentam descontinuidades ou desvios fora das tolerâncias são marcadas para segregação dos segmentos com os respectivos desvios. Em seguida, as peças são serradas para obtenção de submúltiplos e remoção dos segmentos previamente marcados para segregação. Um sistema de rastreamento supervisiona e registra diversos parâmetros de operação necessários para a garantia da qualidade do produto durante todo o percurso entre o reaquecimento do bloco e o corte final em submúltiplos.

Dependendo das especificações de projeto do eixo para atendimento a determinadas aplicações, para remoção das eventuais imperfeições geométricas geradas no processo de fabricação de tubo sem costura e melhorar a rugosidade interna, pode ser necessário realizar também nas lupas um acabamento que é efetuado antes do forjamento. Este acabamento é preferivelmente um acabamento por usinagem sobre uma parte ou toda a superfície interna do tubo, e/ou a retificação da superfície interna do tubo, e/ou o brunimento da superfície interna do tubo através de equipamentos apropriados, antes da redução das pontas por forjamento. Estas etapas de acabamento podem ser realizadas isoladamente, ou pode-se efetuar uma combinação qualquer destas etapas de acabamento, ou ainda todas estas etapas sucessivamente em um mesmo tubo.

Os tubos sem costura, ou lupas produzidas na usina de laminação a quente, tratadas termicamente ou não, com acabamento interno ou não, são posteriormente enviadas para a forjaria. Em uma modalidade preferida da invenção ilustrada pela figura 7, o forjamento pode ser realizado a quente, a temperaturas na faixa entre 800°C a 1300°C, por meio de duas ou mais matrizes abertas 14 que oscilam radialmente e têm curso variável, uma ferramenta auxiliar de recalque axial 15 e um manipulador (não ilustrado) para translação e rotação do tubo sem costura, os quais podem ser coman21/27 dados por controle numérico computadorizado. Assim obtém-se o eixo forjado bruto 17 como mostrado na figura 10, com as duas extremidades forjadas, ou como mostrado na figura 9 com apenas uma extremidade forjada.

Alternativamente, e conforme a figura 8, o forjamento é realizado por uma ou mais matrizes semiabertas 16 que comprimem axial e radialmente pelo menos uma das extremidades do tubo, reduzindo o seu diâmetro, e transformando-o em eixo forjado bruto, como mostrado nas figuras 9 e 10. Durante esta etapa, preferivelmente o eixo fica suspenso por um suporte, como por exemplo, uma garra. Este suporte não atua na conformação do eixo tubular, e serve apenas para sustentá-lo enquanto as matrizes comprimem suas extremidades, para proporcionar o formato desejado ao eixo tubular. Esta modalidade de forjamento pode ser realizada a frio ou a quente ou em temperaturas médias, conforme for mais apropriado. O forjamento feito a frio ou em temperaturas médias é realizado em uma faixa de temperatura entre temperatura ambiente e 800, e o forjamento a quente é realizado a temperaturas entre 800°C e 1300°C.

O processo de forjamento pode ser feito com outro tipo de equipamento, sem os recursos descritos anteriormente, porém o acabamento superficial e as tolerâncias dimensionais podem não ser adequados ao produto. Nos casos em que o forjamento é feito a quente, o aquecimento da extremidade da peça de tubo ou lupa a ser forjada é preferivelmente feito através de um forno elétrico de indução, mas pode ser feito em forno de combustão. Quando a temperatura desejada é obtida, a lupa é posicionada em um manipulador que executa operações de avanço e rotação com a mesma, enquanto as matrizes abertas de forjar 14, também denominadas martelos, oscilam radialmente em alta frequência, com curso variável, como ilustrado pela figura 7. A combinação desses movimentos permite a conformação da ponteira da lupa segundo o perfil dimensional especificado em desenho, como ilustrado pela figura 9. O processo é repetido para a extremidade oposta de cada lupa, definindo assim um eixo forjado bruto a partir de tubo sem costura, como ilustrado pela figura 10.

Dependendo das especificações de projeto do eixo para aten22/27 dimento a determinadas aplicações, pode ser necessário um aumento localizado de espessura, além daquele resultante da operação de forjamento supracitada. Nesse caso, realiza-se antes do forjamento uma operação de recalque, que consiste no aquecimento localizado do tubo sem costura 11 em uma temperatura entre 800°C e 1300°C com um forno de indução na região onde se deseja aumentar a espessura, seguido pela aplicação de uma força longitudinal compressiva através do avanço da ferramenta de recalque 12 sobre o tubo sem costura 11, como ilustrado pela figura 5. Após esta etapa, obtém-se um tubo recalcado 13 como mostrado na figura 6.

Caso o forjamento do eixo tubular seja a quente, então após este forjamento, os eixos são ainda submetidos a uma etapa de resfriamento, que pode ser realizada ao ar, ao ar forçado, em água ou em óleo.

As vigas de eixo podem seguir diferentes rotas conforme o estado de fornecimento requerido para o beneficiamento, sendo, por exemplo, forjadas ou tratadas termicamente, para ajuste da microestrutura e das propriedades mecânicas de acordo com as especificações. O tratamento térmico pode ser integral, ou seja, em toda a viga, ou parcial, localizado em apenas uma região específica, por exemplo, as pontas forjadas. Neste último caso, o corpo do eixo permanece com as propriedades mecânicas e micro20 estrutura das lupas.

As vigas que serão beneficiadas no estado forjado seguem direto para a usinagem. As vigas que sofrerão tratamento térmico são direcionadas para os respectivos fornos: tratamento em regiões localizadas (fornos de indução ou especialmente projetados para este fim) e tratamento na peça integral (fornos de indução, fornos contínuos ou de batelada).

As opções de tratamento em ambos os casos (parcial ou integral) são as mesmas.

No tratamento térmico de normalização em todo ou parte do eixo, a reaustenitização é feita a uma temperatura entre 880°C e 950°C em todo o eixo tubular, ou apenas em parte do mesmo. O tempo no forno depende da espessura da parede e é definido de modo a garantir que toda a seção transversal ultrapasse a temperatura de austenitização. Preferível23/27

mente, este tempo de permanência é de no mínimo 10 minutos. O resfriamento é feito ao ar imediatamente após a zona de aquecimento.

O revenimento é feito em todo o eixo tubular, ou apenas em parte do mesmo em uma faixa de temperatura entre 400°C e 700°C. O tempo de permanência no forno depende da espessura da parede e é definido de modo a garantir que toda a seção transversal atinja a temperatura de revenimento. Preferivelmente, este tempo de permanência é de no mínimo 10 minutos.

O resfriamento é feito ao ar imediatamente após a zona de aquecimento.

As vigas que sofrem tratamento de normalização e revenimento, 10 numa região localizada ou em toda a sua extensão, são submetidas aos dois tratamentos mencionados acima, nessa sequência, enquanto que as que sofrem normalização ou revenimento recebem apenas um dos respectivos tratamentos.

As vigas que sofrem têmpera em todo o eixo tubular, ou ape15 nas em parte do mesmo, após o forjamento, são submetidas inicialmente a um tratamento térmico de reaustenitização a uma temperatura de 880°C a 950°C, por um período de tempo de no mínimo 10 minutos. Após a reaustenitização, a região do eixo submetida ao tratamento (parcial ou integral) é descarepada e temperada (resfriada rapidamente) com água ou óleo (fluido de têmpera).

Após a têmpera, o eixo tubular pode ser também revenido de acordo com o nível de resistência requerido, por uma etapa de revenimento como descrita anteriormente, um tempo de encharque maior ou igual a 10 minutos. O revenimento pode também ser realizado após a normalização.

Em modalidades alternativas da invenção, para seu beneficiamento, o eixo tubular pode ser submetido a uma combinação qualquer das etapas de normalização, têmpera e revenimento.

A microestrutura para a composição química desenvolvida e para as velocidades de resfriamento típicas, exceto quando temperado, é composta predominantemente de bainita, além de ferrita, perlita e eventualmente uma fração pequena de martensita.

Para o material temperado e revenido, a microestrutura previs24/27 ta é composta predominantemente de martensita revenida, podendo conter pequenas quantidades de bainita, ferrita e perlita dependendo da espessura de parede.

Depois de tratadas termicamente, as vigas são submetidas às 5 operações de acabamento.

Dependendo das especificações de projeto do eixo para atendimento a determinadas aplicações, e alternativamente aos diferentes acabamentos internos usinados aplicáveis antes do forjamento, pode ser realizado um jateamento nas superfícies internas 9 e 10 do eixo ilustradas na figura 3, depois do forjamento. Além da remoção da camada de óxidos formada nos eventuais tratamentos térmicos, o jateamento forma uma fina camada superficial de um material encruado sujeito a tensões residuais de compressão. Esta camada inibe a nucleação e a propagação de defeitos superficiais tais como trincas contribuindo para a resistência à fadiga do ei15 xo.

Como etapas de acabamento também podem ser realizados o desempeno do eixo tubular, a usinagem interna de furos de inspeção nas extremidades do eixo tubular, a usinagem de um chanfro 7 na aresta do diâmetro interno dos furos de inspeção do eixo tubular, e usinagem de pelo menos dois furos, com rosca e rebaixo liso 6, em cada extremidade. De acordo com a presente invenção, podem ser realizadas todas estas etapas de acabamento, ou ainda uma combinação sucessiva de qualquer destas etapas, dependendo do formato do eixo e das características da superfície interna do eixo que se deseja fabricar.

O desempeno é feito em equipamento manual ou automático para se evitar problemas de falta de material na usinagem, excentricidade entre os diâmetros externo e interno e consequente desbalanceamento.

É removido material através de usinagem em toda a superfície externa para se obter as dimensões especificadas em desenho.

Na superfície interna das pontas forjadas é removido material através de usinagem conforme as dimensões especificadas em desenho. Esta região pode acomodar uma tampa e permite o acoplamento de cabeço25/27 tes de ultrassom para inspeção da manga de eixo 1 sob a sede de rolamento e o raio de transição para a seção do labirinto 2 da figura 1. A inspeção pela superfície interna proporciona incidência direta (sem reflexão) e um curto trajeto do feixe sônico, principalmente na região da manga de eixo, frequentemente sujeita a danos relacionados ao rolamento e seus acessórios. Isso facilita a detecção de descontinuidades em estágios iniciais que não seriam detectados com os métodos usuais.

Além dessas regiões, outras partes do eixo podem ser inspecionadas a partir da superfície interna, como a sede de rodas e o corpo do eixo, bastando para isso a remoção da tampa e a introdução de uma sonda com um cabeçote de inspeção reduzido e um meio de acoplamento apropriado (água, gel, laser, etc).

Normalmente são requeridos três furos com rosca 5 circunferencialmente equidistantes em cada ponta para fixação dos parafusos das tampas dos rolamentos, sendo a posição e o diâmetro desses furos padronizados.

Para permitir a fixação e centralização do eixo entre pontas em um torno, foi criado um chanfro 7 na aresta do diâmetro interno da ponta cujo ângulo total 10 é o mesmo da ponta de apoio do torno. Faz-se necessário, entretanto, que o diâmetro da contraponta seja compatível com o diâmetro interno da ponta do eixo tubular, pois este diâmetro é maior do que o normalmente estabelecido em norma para o eixo maciço equivalente, como na norma da Associação Americana de Ferrovias, ou American Association of Railroads - AAR.

Como em alguns casos o diâmetro interno do furo da ponta não é suficiente para evitar a interferência do chanfro 7 com os furos com rosca 5, foi introduzido um rebaixo liso opcional 6 no início de cada furo com rosca 5. Isso garante a aplicação das tampas padronizadas existentes e assegura a intercambiabilidade desses eixos.

O acabamento especificado em algumas superfícies é atendido no estado bruto ou usinado, mas há regiões que precisam ser retificadas, como os raios de transição da manga de eixos e do labirinto, para atenuar a concentração de tensões, reduzir o tamanho e a frequência de descontinui26/27 dades e melhorar a resistência à fadiga.

Estas e outras regiões do eixo podem ser submetidas a técnicas que introduzem tensões residuais compressivas tais como roletamento ou jateamento, pois estas tensões contribuem para o aumento da resistência à fadiga.

Após as etapas de acabamento do eixo, o processo de acordo com a invenção pode ainda compreender, quando necessário, uma etapa de tratamento térmico que pode ser efetuada antes de uma inspeção final do produto. O tratamento térmico compreende preferivelmente a têmpera e o revenimento de pelo menos uma parte do eixo tubular. Ou seja, ele pode ser realizado, por exemplo, apenas nas extremidades usinadas do eixo, ou ainda sobre o eixo inteiro.

A manga do eixo e/ou a sede de rodas podem ser temperadas localmente com o auxílio de forno de indução para aquecimento e borrifo d’água para resfriamento acelerado. Esta técnica (já utilizada nas mangas de eixos rodoviários) aumenta significativamente a dureza e a resistência mecânica de uma camada superficial através da alteração da microestrutura do aço, que se torna predominantemente martensítica. Estas propriedades elevam a resistência à fadiga e ao fretting, fenômenos presentes nessas regi20 ões e geralmente associados às falhas de eixos ferroviários. Devido à têmpera, faz-se necessário que a região temperada seja revenida.

A inspeção final por ensaios não destrutivos quanto a dimensões e descontinuidades pode ser feita por meio de ultrassom com feixe sônico de ângulo fixo, ou ainda por meio de ultrassom com feixe sônico de ân25 guio variável, ou por meio de correntes parasitas, ou ainda por meio de partículas magnéticas.

O processo aqui descrito é capaz de minimizar o desperdício de matéria-prima, reduzindo ainda os custos de fabricação do eixo tubular da presente invenção.

O processo de acordo com a presente invenção é capaz de produzir eixos ferroviários com um peso aproximadamente 40% menor em relação aos eixos feitos a partir de barras maciças. Ao mesmo tempo, em virtude das

27/27 vantagens trazidas pela composição específica da liga metálica utilizadas para a fabricação deste eixo, as quais são ainda potencializadas pelas particularidades do processo de fabricação destes eixos, a presente invenção proporciona um eixo tubular com maior resistência e resistência à fadiga, que apresenta um baixo peso e, consequentemente, eficiência energética otimizada.

A utilização de ferramentas de inspeção da qualidade do eixo e de detecção de irregularidades superficiais do eixo permite um controle muito mais preciso da qualidade das peças produzidas, possibilitando que a margem de erros e de produção de tubos defeituosos seja bastante reduzida, e que determinados defeitos formados em alguns eixos sejam corrigidos e/ou eliminados ao longo deste processo de fabricação. Este efeito também é alcançado por meio do uso do controle estatístico por computador de algumas etapas do processo, que também proporciona maior precisão ao processo, reduzindo a quantidade de defeitos nos tubos e a variabilidade das propriedades mecânicas e microestruturais do produto.

Em vista das diferentes etapas alternativas do processo de acordo com a presente invenção, por exemplo, antes do forjamento, ou nas etapas de acabamento do eixo, é possível produzir por meio do processo de acordo com a invenção eixos com diferentes propriedades físicas, os quais podem ser mais adequados a condições de aplicação distintas nos transportes ferroviários. Juntando-se as vantagens proporcionadas pelo material utilizado na constituição dos eixos tubulares com as vantagens fornecidas pelo processo de fabricação, a presente invenção é capaz de alcançar todos os objetivos desejados, produzindo eixos tubulares de baixo custo, mas com melhor resistência mecânica e resistência à fadiga, e com pequeno desperdício de material.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

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L

1. Eixo forjado de um tubo de aço sem costura para veículos ferroviários, caracterizado por ser constituído de um material de liga metálica de aço compreendendo de 0,32 a 0,42% em peso de carbono, de 1,10 a

5 1,70% em peso de manganês, o restante sendo ferro e impurezas inevitáveis, sendo que o eixo acabado possui as propriedades de: um limite de escoamento mínimo de 520 MPa, um limite de resistência mínimo de 750 MPa e alongamento mínimo de 16%.

2. Eixo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato

10 de que o material de liga metálica compreende pelo menos um dentre os seguintes elementos: até 0,020% em peso de enxofre, até 0,020% em peso de fósforo, de 0,10 a 0,45% em peso de alumínio, de 0,10 a 0,35% em peso de silício, de 0,10 a 0,30% em peso de molibdênio, de 0,010 a 0,050% em peso de nióbio; e de 0,05 a 0,27% em peso de vanádio.

15 3. Eixo de acordo com reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o material de liga metálica compreende de 1,40 a 1,70% em peso de manganês.

4. Eixo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o material de liga metálica compreende até

20 0,010% em peso de fósforo.

5. Eixo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o material de liga metálica compreende até 0,010% em peso de enxofre.

6. Eixo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, 25 caracterizado pelo fato de apresentar limite mínimo de fadiga de 120 MPa.

7. Eixo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de apresentar limite mínimo de fadiga de 170 MPa.

8. Processo para fabricação de um eixo forjado de tubo de aço sem costura para veículos ferroviários como definido em qualquer uma das

30 reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

- fusão de um material de liga metálica gerando o material de liPetição 870170076641, de 09/10/2017, pág. 9/16

2/5 ga metálica de aço;

- lingotamento do material fundido, formando produtos lingotados;

- reaquecimento para perfuração dos produtos lingotados em 5 forno de reaquecimento;

- perfuração dos produtos lingotados;

- alongamento dos produtos perfurados formando lupas;

- acabamento das lupas, transformando-as em tubos sem costura;

10 - forjamento dos tubos sem costura, transformando-os em eixos forjados de tubo sem costura para veículos ferroviários.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender, após a etapa de fusão, uma etapa de refino secundário em forno panela, em que são feitos ajustes na composição química da

15 liga metálica, e tratamento metalúrgico com cálcio-silício.

10. Processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de compreender, após a etapa de refino secundário, uma etapa de desgaseificação a vácuo.

11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 20 a 10, caracterizado pelo fato de que a etapa de lingotamento é realizada sob agitação eletromagnética.

12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de que, após a etapa de lingotamento, o produto lingotado é submetido a uma etapa de reaquecimento auxiliar a uma tem25 peratura de 880Ό a 1300Ό por um tempo entre 1 hor a e 48 horas.

13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender, após a etapa de reaquecimento auxiliar, uma etapa de laminação.

14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 30 a 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de reaquecimento para perfuração dos produtos lingotados é realizada em forno de reaquecimento a temperaturas entre 1000Ό e 1300Ό.

Petição 870170076641, de 09/10/2017, pág. 10/16

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15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 14, caracterizado por realizar uma etapa de reaquecimento da lupa entre 820*0 e 9800 antes da etapa de acabamento das lupa s.

16. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 5 a 15, caracterizado pelo fato de que, após a etapa de acabamento, os tubos sem costura são submetidos a um leito de resfriamento.

17. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 16, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa de forjamento, os tubos sem costura são normalizados, em que eles são mantidos a temperaturas

10 entre 880*0 e 950*0 por pelo menos 10 minutos de te mpo de imersão, e em seguida são submetidos a um resfriamento ao ar.

18. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 16, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa de forjamento, os tubos sem costura são temperados, em que os tubos sem costura são mantidos a

15 temperaturas entre 880*C e 950*C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão, e em seguida, o resfriamento acelerado dos tubos do eixo é realizado por um meio selecionado dentre água e óleo.

19. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 18, caracterizado pelo fato de que os tubos sem costura são revenidos

20 em um forno de reaquecimento, onde são mantidos a temperaturas entre 400*C e 700*C por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão, e em seguida são submetidos a um resfriamento ao ar.

20. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 19, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa de forjamento, os tubos

25 sem costura são desempenados a quente, e seguem para um leito de resfriamento.

21. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 20, caracterizado pelo fato de compreender, antes da etapa de forjamento, uma etapa de inspeção dos tubos por ensaios não destrutivos de dimensões

30 e descontinuidades superficiais.

22. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 21, caracterizado por compreender, após da etapa de inspeção, uma etapa

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4/5 de acabamento, compreendendo a usinagem sobre toda a superfície interna dos tubos sem costura.

23. Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que, após a usinagem, é realizada a retificação da superfície

5 interna dos tubos sem costura.

24. Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que, após a usinagem, é realizado o brunimento da superfície interna dos tubos sem costura.

25. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 10 a 24, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa de forjamento, é realizada uma etapa de recalque, em que os tubos sem costura (11) são aquecidos entre 800Ό e 1300Ό na região onde a espessura será aumentada, e em seguida é aplicada uma força longitudinal compressiva na direção axial do tubo sem costura (11) através do avanço de uma ferramenta de recalque

15 (12).

26. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 25, caracterizado pelo fato de que a etapa de forjamento é realizada em temperaturas na faixa de 800Ό a 1300Ό por meio pe lo menos de duas matrizes abertas (14) que oscilam radialmente e têm curso variável, uma ferra20 menta auxiliar de recalque axial (15) e um manipulador para translação e rotação do tubo sem costura (13), os quais podem ser comandados por controle numérico computadorizado.

27. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 25, caracterizado pelo fato de que a etapa de forjamento é realizada a uma

25 temperatura na faixa compreendida entre a temperatura ambiente e 1300Ό por pelo menos uma matriz (16) que comprime axial e radialmente pelo menos uma das extremidades do tubo (13), reduzindo o seu diâmetro, e transformando-o em um eixo forjado.

28. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8

30 a 27, caracterizado pelo fato de que, caso o forjamento seja a quente, compreende ainda uma etapa de resfriamento após o forjamento, em que o resfriamento é realizado em um meio selecionado dentre os seguintes meios:

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5/5 ao ar, ao ar forçado, em água, e em óleo.

29. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 28, caracterizado por compreender uma etapa de normalizar pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando um forno para aquecimento a tempera5 turas entre 880 e 950Ό por pelo menos 10 minutos d e tempo de imersão e resfriamento ao ar.

30. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 29, caracterizado por compreender uma etapa de temperar pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando, para austenitizar, um forno para aque10 cimento a temperaturas entre 880Ό e 950Ό por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão e, para temperar, um resfriamento acelerado com água.

31. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 30, caracterizado por compreender uma etapa de revenir pelo menos uma parte do tubo do eixo, utilizando um forno para reaquecimento a temperatu15 ras entre 400 e 700Ό por pelo menos 10 minutos de tempo de imersão e resfriamento ao ar.

32. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 31, caracterizado pelo fato de que a etapa de acabamento compreende pelo menos uma das seguintes etapas: jateamento da superfície interna do

20 tubo, desempeno do tubo, usinagem interna dos furos de inspeção nas duas extremidades do tubo, usinagem do chanfro (7) na aresta do diâmetro interno dos furos de inspeção do tubo, e usinagem de pelo menos dois furos, com rosca e rebaixo liso (6) em cada extremidade.

33. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8

25 a 32, caracterizado pelo fato de compreender, após a etapa de acabamento, uma etapa de tratamento térmico de têmpera e revenimento aplicada a pelo menos parte do eixo forjado.

34. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 33, caracterizado pelo fato de compreender, após a etapa de acabamento,

30 uma etapa de inspeção não destrutiva de defeitos superficiais do eixo forjado.

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