BRPI0907583B1 - High strength pearl steel rail - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TRILHO DE AÇO PERLÍTICO DE ALTA RESISTÊNCIA".

[001] A presente invenção refere-se a um aço para trilhos com uma excelente combinação de propriedades de desgaste e resistência à fadiga por contato de rolagem necessárias para ferrovias convencionais e de carga pesada.

[002] Os aumentos nas velocidades dos trens e de cargas tornaram o transporte por ferrovia mais eficiente. No entanto, esse aumento também significa condições de serviço mais árduas para os trilhos, e também melhorias nas propriedades dos materiais dos trilhos são necessárias para torná-los mais tolerantes e resistentes ao estresse aumentado e aos ciclos de estresse impostos. O aumento no desgaste é particularmente pesado em curvas fechadas com alta densidade de tráfego e uma maior proporção de tráfego de carga, e a queda da vida útil do trilho pode se tornar significativa e indesejável. Entretanto, a vida útil do trilho foi drasticamente melhorada nos últimos anos devido às melhorias nas tecnologias de tratamento térmico para posterior fortalecimento dos trilhos, e o desenvolvimento de trilhos de alta resistência usando um aço carbono eutectoide e tendo uma estrutura perlítica fina.

[003] Em partes retas e ligeiramente curvas de ferrovias onde uma menor resistência ao desgaste é requerida, contatos repetidos entre rodas e trilhos podem provocar falhas por fadiga por contato de rolagem (RCF) na superfície da cabeça do trilho. Essas falhas resultam da propagação de fraturas por fadiga iniciadas no plano superior da superfície da cabeça do trilho para o seu interior. As falhas chamadas "atarracado" ou "ponto escuro" aparecem principalmente, mas não exclusivamente, nas trilhas tangentes de ferrovias de alta velocidade e são devidas à acumulação de danos no centro da superfície da cabeça do trilho que resultam dos contatos repetidos entre as rodas e os tri- Ihos.

[004] Essas falhas podem ser eliminadas polindo-se a superfície da cabeça do trilho a dados intervalos. Entretanto, os custos do carro de polimento e da operação são altos e o tempo para polir é limitado pela programação de passagem dos trens.

[005] Outra solução é aumentar a taxa de desgaste da superfície da cabeça do trilho para permitir que o dano acumulado se desgaste antes de ocorrer o defeito. A taxa de desgaste de trilhos pode ser aumentada diminuindo-se a sua dureza uma vez que sua resistência ao desgaste depende da dureza do aço. Entretanto, a simples redução da dureza do aço provoca deformação plástica na superfície da cabeça do trilho que, por sua vez, provoca a perda do perfil ótimo e a ocorrência de fraturas de fadiga de contato de rolagem.

[006] Trilhos com uma estrutura bainítica se desgastam mais que trilhos com uma estrutura perlítica porque eles consistem de partículas de carboneto finamente dispersas em uma matriz ferrítica mole. Rodas que passam sobre uma estrutura bainítica, portanto, fazem o carboneto se desgastar prontamente com a matriz ferrítica. O desgaste assim acelerado remove a camada danificada por fadiga da superfície da cabeça do trilho. A baixa resistência da matriz ferrítica pode ser neutralizada adicionando-se maiores porcentagens de cromo ou outros elementos de ligação para fornecer a alta resistência necessária quando laminado. Entretanto, adições aumentadas de ligas não são apenas mais caras mas podem também formar uma estrutura dura e frágil nas juntas soldadas entre trilhos. Esses aços bainíticos parecem ser mais susceptíveis a fraturas por corrosão por estresse e requerem um controle mais rígido de estresses residuais. Além disso, a performance de solda de topo alumino-térmica e brilhante dos aços bainíticos deve ser melhorada.

[007] Trilhos com uma estrutura perlítica compreendem uma combinação de ferrita mole e lâminas de cementita dura. Na superfície da cabeça do trilho que está em contato com as rodas, a ferrita mole é comprimida para saírem apenas as lâminas de cementita dura. Essa cementita e o efeito de endurecimento do trabalho fornecem a resistência ao desgaste necessária dos trilhos. A resistência desses aços perlíticos á alcançada através de adições de ligações, resfriamento acelerado ou sua combinação. Usando-se esses meios, o espaçamento interlaminar da perlita foi reduzido. Um aumento na dureza do aço provoca um aumento na resistência ao desgaste. Entretanto, a valores de dureza de cerca de 360 HB e mais altos, a taxa de desgaste é tão pequena que um outro aumento na dureza não resulta em uma taxa de desgaste significativamente diferente. Entretanto, melhorias na resistência na fadiga por contato de rolagem foram vistas com uma dureza crescente até = 400 HB que é geralmente considerado o limite superior de dureza para aços eutectoides e hipoeutectoides com uma microestrututura completamente perlítica.

[008] Entretanto, sob condições práticas, a resistência RCF desses aços perlíticos de alta resistência precisa também ser melhorada para retardar o início das fraturas por fadiga por contato de rolagem e assim prolongar os intervalos entre as operações de polimento.

[009] É, portanto, um objetivo desta invenção fornecer trilhos de alta resistência que sejam resistentes à fadiga por contato de rolagem enquanto retém a excelente resistência ao desgaste dos atuais trilhos tratados termicamente.

[0010] O objetivo da invenção foi alcançado com um aço para trilhos perlítico de alta resistência com uma excelente combinação de propriedades de desgaste e resistência à fadiga por contato de rolagem, contendo (em % em peso): 0,88 a 0,95% de carbono, 0,75 a 0,95% de silício, 0,80 a 0,95% de manganês, 0,05 a 0,14% de vanádio, no máximo 0,008% de nitrogênio, no máximo 0,030% de fósforo, 0,008 a 0,030% de enxofre, no máximo 2,5 ppm de hidrogênio, no máximo 0,10% de cromo, no máximo 0,010% de alumínio, no máximo 20 ppm de oxigênio, [0011] o restante consistindo de ferro e as inevitáveis impurezas.

[0012] A composição química dos aços conforme a invenção mostrou propriedades de desgaste muito boas em comparação com os aços perlíticos hipo e hipereutectoides convencionais. Os inventores descobriram que a composição química equilibrada produz perlita muito resistente ao desgaste compreendendo carbonitretos de vanádio muito finamente dispersos. Além disso, a resistência RCF é significativamente maior que a dos aços convencionais comparáveis. Vários fatores se unem para produzir essa melhoria. Inicialmente, a movimentação para a região hipereutectoide do diagrama da fase ferro-carbono aumenta a fração de volume da cementita dura na microestrutura. Entretanto, sob o resfriamento relativamente lento experimentado pelos trilhos, tais altas concentrações de carbono podem levar a redes prejudiciais de cementita frágil nas bordas dos grãos. A adição intencional de maiores teores de silício e vanádio à composição foi designada para evitar a cementita nas bordas dos grãos. Essas adições têm também uma segunda função igualmente importante. O silício é um refor-çador de solução sólida e aumenta a resistência das ferritas perlíticas o que aumenta a resistência da perlita para o início da RCF. Similarmente a precipitação de carbonitretos de vanádio dentro da perlita fer-rítica aumenta sua resistência e portanto a resistência RCF da micro- estrutura perlítica combinada. Uma outra característica do design da composição é limitar o teor de nitrogênio para evitar precipitados prematuros e brutos de nitreto de vanádio uma vez que eles não são eficazes em aumentar a resistência da ferrita perlítica. Isto garante que as adições de vanádio permanecem em solução dentro da austenita para diminuir temperaturas e, portanto, resultam em precipitados finos. O vanádio em solução também age como agente de endurecimento para refinar o espaçamento da perlita. Assim o design específico da composição reivindicada nessa configuração utiliza os vários atributos dos elementos individuais para produzir uma microestrutura com uma combinação altamente desejável de desgaste e resistência RCF. Uma resistência RCF e uma resistência ao desgaste aumentadas podem assim ser alcançadas a valores mais baixos de dureza. Uma vez que a dureza mais alta é geralmente associada com maiores estresses residuais no trilho, a dureza menor significa que esses estresses residuais no trilho conforme a invenção são reduzidos, o que particularmente benéfico em reduzir a taxa de crescimento das fraturas de fadiga. As propriedades mecânicas dos aços de acordo com a invenção são similares a um Grau 350 HT convencional que é comumente usado em curvas fechadas e nos trilhos baixos de curvas altamente inclinadas. Uma outra melhoria pode ser obtida submetendo-se o trilho a resfriamento acelerado após a laminação a quente ou um tratamento térmico.

[0013] Em uma configuração da invenção, a quantidade mínima de nitrogênio é 0,003%. Uma quantidade máxima de teor de nitrogênio foi descoberto ser 0,007%.

[0014] O vanádio forma carbonetos de vanádio ou nitretos de vanádio dependendo das quantidades de nitrogênio presentes no aço e da temperatura. Em princípio, a presença de precipitados aumenta a resistência e a dureza dos aços mas a eficácia dos precipitados dimi- nui quando eles são precipitados a altas temperaturas em partículas brutas. Se o teor de nitrogênio for muito alto, há uma tendência crescente de formação de nitretos de vanádio a altas temperaturas ao invés de carbonetos de vanádio finos a temperaturas mais baixas. Os inventores descobriram que quando o teor de nitrogênio foi menor que 0,007% então a quantidade de nitretos de vanádio indesejáveis foi pequena em comparação aos carbonetos de vanádio desejados, isto é, nenhum efeito prejudicial da presença de nitreto de vanádio pode ser observado enquanto o efeito benéfico da presença de carbonetos de vanádio finamente dispersos foi forte. Uma quantidade mínima de nitrogênio de 0,003% é o limite inferior prático que maximiza a eficácia da adição do caro vanádio por garantir que apenas uma pequena fração é conectada com os precipitados de vanádio relativamente brutos a uma temperatura mais alta. Um valor máximo adequado para o nitrogênio é 0,006% ou mesmo 0,005%.

[0015] Em uma configuração da invenção, a quantidade mínima de vanádio é 0,08%. O teor máximo adequado foi descoberto ser 0,13%. Preferivelmente, o vanádio é pelo menos 0,08% e/ou no máximo 0,12%. Para fornecer uma boa distribuição de carbonitretos de vanádio, os inventores descobriram que uma quantidade de cerca de 0,10% de vanádio é ótima e preferível. O efeito benéfico diminui com quantidades crescentes e se torna economicamente sem atrativos.

[0016] O carbono é o elemento de ligação de custo mais eficaz nos aços para trilhos. Um teor mínimo de carbono adequado foi descoberto ser 0,90%. Uma faixa adequada de carbono é de 0,90% a 0,95%. Essa faixa fornece o equilíbrio ótimo entre a fração de volume da cementita dura e a prevenção da precipitação de uma rede prejudicial de cementita frágil nas bordas dos grãos. O carbono é também um agente de endurecimento potente que facilita uma menor transformação de temperatura e aumenta o espaçamento interlaminar. A alta fra- ção de volume de cementita dura e o espaçamento interlaminar fino fornecem a resistência ao desgaste e contribui na direção da resistência RCF aumentada da composição incluída em uma configuração da invenção.

[0017] O silício melhora a resistência pelo endurecimento da solução sólida de ferrita na estrutura perlita sobre a faixa de 0,75 a 0,95%. Foi descoberto que um teor de silício de 0,75 a 0,92% fornece um bom equilíbrio entre ductilidade e tenacidade do trilho bem como capacidade de soldagem. A valores mais altos, os valores de ductilidade e de tenacidade caem rapidamente e, a valores mais baixos, a resistência ao desgaste e, particularmente, a resistência RCF do aço diminuem rapidamente. O silício, nos níveis recomendados, também fornece um efeito de salvaguarda contra qualquer rede prejudicial de cementita frágil nas bordas dos grãos. Preferivelmente, o teor mínimo de silício é 0,82%. A faixa de 0,82 a 0,92 provou fornecer um bom equilíbrio entre ductilidade e tenacidade do trilho bem como de capacidade de soldagem.

[0018] O manganês é um elemento que é eficaz para aumentar a resistência pela melhoria da capacidade de endurecimento da perlita. Seu propósito principal é diminuir a temperatura de transformação da perlita. Se seu teor for menor que 0,80% descobriu-se que o efeito do manganês foi insuficiente para alcançar a capacidade de endurecimento desejada no teor de carbono escolhido e a níveis acima de 0,95% há um risco de formação de martensita devido à segregação do manganês. Um alto teor de manganês torna a operação de soldagem mais difícil. Em uma configuração preferida, o teor de manganês é de no máximo 0,90%. Preferivelmente o teor de fósforo do aço é de no máximo 0,015%. Preferivelmente o teor de alumínio é de no máximo 0,006%.

[0019] Os valores de enxofre têm que estar entre 0,008 e 0,030%. A razão para um teor mínimo de enxofre é que ele forma inclusões de MnS que agem como um depósito para qualquer hidrogênio residual que possa estar presente no aço. Qualquer hidrogênio no trilho pode ser resultar no que são conhecidos como fraturas estilhaçadas que são pequenas fraturas com faces afiadas que podem iniciar as fraturas por fadiga na cabeça (conhecida como fechos ovais) sob altos estresses das rodas. A adição de pelo menos 0,008% de enxofre evita os efeitos prejudiciais do hidrogênio. O valor máximo de 0,030% é escolhido para evitar a fragilização da estrutura. Preferivelmente o valor máximo é de no máximo 0,020%. Em uma configuração preferida, o aço conforme a invenção consiste em: 0,90% a 0,95% de carbono, 0,82% a 0,92% de silício, 0,80% a 0,95% de manganês, 0,08% a 0,12% de vanádio, 0,003 a 0,007% de nitrogênio, no máximo 0,015% de fósforo, 0,008 a 0,030% de enxofre, no máximo 2 ppm de hidrogênio, no máximo 0,10% de cromo, no máximo 0,004% de alumínio, no máximo 20 ppm de oxigênio, [0020] o restante consistindo em ferro e as inevitáveis impurezas, [0021] e tendo uma estrutura perlita.

[0022] A RCF e a resistência ao desgaste foram medidas usando-se um equipamento de disco duplo de laboratório similar ao equipamento descrito em R. I. Carroll, Rolling Contact Fatigue and surface metallurgy of rail, PhD Thesis, Department of Engineering Materials, University of Sheffield, 2005. Esse equipamento simula as forças que surgem quando a roda está girando e deslizando no trilho. A roda que é usada nesses testes é uma roda R8T, que é uma roda de padrão britânico. Essas estimativas não são parte do procedimento formal de qualificação do trilho mas descobriu-se que fornecem um bom indicador quanto à performance relativa em serviço de diferentes composições de aços para trilhos. As condições de teste para o teste de desgaste envolvem o uso de um estresse de contato de 750 MPa, 25% de deslizamento e nenhuma lubrificação enquanto as da RCF utilizam um maior estresse de contato de 900 MPa, 5% de deslizamento e lubrificação a água.

[0023] A invenção demonstrou que sua resistência à fadiga por contato de rolagem é muito maior que os trilhos convencionais tratados termicamente. Na condição conforme laminado, ela demonstrou um aumento no número de ciclos para iniciação da fratura de mais de 62% (130.000 ciclos) comparado aos trilhos perlíticos com dureza de 370 HB (80.000 ciclos). O tratamento térmico da invenção aumenta sua resistência RCF ainda mais para 160.000 ciclos.

[0024] Em uma modalidade da invenção é fornecido um trilho per-lítico tendo uma resistência RCF de pelo menos 130.000 ciclos até a iniciação sob condições de teste de disco duplo lubrificado a água. Conforme descrito acima, esses valores são sob condições de rolagem e deslizamento.

[0025] Em uma configuração da invenção é fornecido um trilho perlítico com uma resistência ao desgaste comparável aos aços de trilhos atuais tratados termicamente, preferivelmente onde o desgaste é menor que 40 mg/m de deslizamento a uma dureza entre 320 e 350 HB, ou menor que 20 mg/m, preferivelmente abaixo de 10 mg/m, de deslizamento a uma dureza acima de 350 HB quando testado conforme descrito acima.

[0026] A invenção demonstrou durante o teste de discos duplos que sua resistência ao desgaste é tão eficaz quanto aos trilhos atuais tratados termicamente mais duros. Na condição conforme laminado a resistência ao desgaste do trilho e maior que os trilhos convencionais tratados termicamente com uma dureza maior que 370 HB. Na condição de tratados termicamente os trilhos têm uma taxa de desgaste muito baixa similar aos trilhos convencionais com uma dureza de 400 HB.

[0027] O nível máximo recomendado das inevitáveis impurezas é baseado na EN13674-1:2003, de acordo com ela os limites máximos são Mo - 0,02%, Ni - 0,10%, Sn - 0,03%, Sb - 0,020%, Ti - 0,025%, Nb - 0,01%.

[0028] De acordo com alguns exemplos não limitativos duas corridas A e B com variações designadas nos elementos de ligação selecionados foram produzidas e lingotadas em lingotes. As composições químicas desses exemplos estão dadas na tabela 1.

Tabela 1a: composição química, % em peso [0029] Os lingotes foram d es bastados até a seção de bloco de trilho padrão de 330 x 254 e laminado em seções 56E1. Todos os comprimentos dos trilhos foram produzidos livres de quaisquer defeitos internos ou de quebra de superfície. Os trilhos foram testados na condição conforme laminado e na condição de resfriamento acelerado controlado.

[0030] Descobriu-se que a dureza dos aços estava entre 342 HB e 349 HB. Quando se recorre à dureza para estimativa da vida útil do trilho isso levaria à conclusão de que os aços não atingem o grau 350 HT mínimo. Entretanto, os inventores descobriram que selecionando-se um aço na janela de análise química limitada de acordo com a invenção que tanto a resistência ao desgaste quanto a resistência RCF são excelentes e superam o grau 350 enquanto apresentam proprie- dades mecânicas similares. Na condição de tratado térmica mente (isto é, a versão resfriada acelerada mente) a dureza é de cerca de 400 HB. Tabela 1b: composição química, % em peso exceto N (ppm) 0031] Os aços na tabela 1b foram experiências comerciais. Os resultados obtidos com esses aços confirmaram os resultados das corridas de laboratório. A resistência ao desgaste das corridas comerciais foram ainda melhores que as corridas de laboratório. Acredita-se que isso seja devido à perlita mais fina e à micro estrutura mais fina obtidas nas experiências industriais. Por exemplo, a taxa de desgaste (em mg/m de deslizamento) para o aço C foi de 3,6 enquanto os valores para os aços A e B são da ordem de 25. Esses últimos valores já são muito bons em comparação com valores típicos para R260 e R350HT (124 e 31 respectivamente), mas as experiências comerciais ainda excederam os valores das experiências de laboratório. A resistência RCF é também significativamente maior para as corridas da experiência comercial com 200.000 - 220.000 ciclos para iniciação da fratura. As experiências de laboratório foram 130.000 - 140.000. Essa melhoria é pelo menos parcialmente atribuível ao teor de enxofre estando acima do valor crítico de 0,008% para as corridas de experiências comerciais, mas também para a perlita mais fina e para a microestrutura mais fina obtidas nas experiências industriais. Novamente esses valores foram já muito melhores que os valores típicos para R260 e R350HT que são 50.000 e 80.000 respectiva mente. Os valores de dureza medidos no trilho são muito consistentes sobre toda a seção transversal do trilho.

[0032] Os aços foram também soldados por Soldagem de Topo Brilhante e Soldagem Aluminotérmica, e em ambos os casos as soldas mostraram que atingiram o padrão requerido para soldagens homogêneas (mesmos materiais) e soldagens heterogêneas (materiais diferentes).

Tabela 2: Propriedades de Tração [UU33J Todas as outras propriedades relevantes são similares ou melhores que aquelas de graus de aços perlíticos para trilhos atualmente disponíveis resultando assim em um trilho com uma excelente combinação de propriedades de desgaste e resistência à fadiga por contato de rolagem bem como propriedades similares ou melhores que aquelas dos graus de aços perlíticos para trilhos atualmente disponíveis.

[0034] Na figura 1 o número de ciclos para iniciação da RCF dos trilhos conforme a invenção (círculos) é comparado aos valores para aços perlíticos convencionais (quadrados) como uma função da dureza do trilho (em HB). É claro que os trilhos conforme a invenção superam os trilhos conhecidos e mostram uma melhoria na mudança da etapa em sua resistência à fadiga por contato de rolagem. Os resultados das experiências industriais estão também mostrados (triângulos).

[0035] Na figura 2 as propriedades de desgaste dos trilhos con- forme a invenção (círculos) em mg/m de deslizamento são comparadas aos valores para aços perlíticos convencionais (quadrados) em função da dureza do trilho (em HB). A taxa de desgaste dos trilhos conforme a invenção é menor que os aços para trilhos atuais para du-rezas de menos de 380 HB e é comparável para trilhos com valores de dureza maiores que 380 HB. Os resultados das experiências industriais estão também mostrados (triângulos).

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Trilho de aço perlítico de alta resistência com uma excelente combinação de propriedades de desgaste e de resistência à fadiga por contato de rolagem onde o aço consiste em 0,88% a 0,95% de carbono, 0,75% a 0,95% de silício, 0,80% a 0,95% de manganês, 0,05% a 0,14% de vanádio, até 0,008% de nitrogênio, até 0,030% de fósforo, 0,008% a 0,030% de enxofre, no máximo 2,5 ppm de hidrogênio, no máximo 0,10% de cromo, no máximo 0,010% de alumínio, no máximo 20 ppm de oxigênio, o restante sendo ferro e as inevitáveis impurezas, caracterizado pelo fato de que apresenta uma resistência RCF de pelo menos 130.000 ciclos para iniciação sob condições de teste de disco duplo lubrificado com água, com uma resistência ao desgaste comparável aos aços para trilhos tratados termicamente, preferivelmente onde o desgaste é menor que 40 mg/m de deslizamento a uma dureza entre 320 e 350 HB, ou menor que 20 mg/m e preferivelmente menor que 10 mg/m de deslizamento a uma dureza acima de 350 HB.

2. Trilho perlítico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o teor de carbono é de pelo menos 0,90%.

3. Trilho perlítico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o teor de nitrogênio é de pelo menos 0,003%, ou onde o teor de nitrogênio é de no máximo 0,00-7%.

4. Trilho perlítico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o teor de nitrogênio é de no máximo 0,005%.

5. Trilho perlítico de acordo qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o teor de vanádio é de pelo menos 0,08% e/ou no máximo 0,12%.

6. Trilho perlítico de acordo com qualquer uma das reivin- dicações precedentes, consistindo em 0,90% a 0,95% de carbono, 0,82% a 0,92% de silício, 0,80% a 0.95% de manganês, 0,08% a 0,12% de vanádio, 0,003 a 0,007% de nitrogênio, no máximo 0,015% de fósforo, 0,008% a 0,030% de enxofre, no máximo 2 ppm de hidrogênio. no máximo 0,10% de cromo, no máximo 0,04% de alumínio, no máximo 20 ppm de oxigênio, o restante consistindo de ferro e as inevitáveis impurezas, caracterizado pelo fato de que apresenta uma resistência RCF de pelo menos 130.000 ciclos para iniciação sob condições de teste de disco duplo lubrificado com água, com uma resistência ao desgaste comparável aos aços para trilhos tratados termica-mente, preferivelmente onde o desgaste é menor que 40 mg/m de deslizamento a uma dureza entre 320 e 350 HB, ou menor que 20 mg/m e preferivelmente menor que 10 mg/m de deslizamento a uma dureza acima de 350 HB.

7. Trilho perlítico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o teor de manganês é de no máximo 0,90%.