UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE CENTRO DE ENGENHARIAS DA MOBILIDADE CURSO ENGENHARIA FERROVIÁRIA E METROVIÁRIA SEMESTRE 2013/23
RODA FERROVIÁRIA MICROLIGADA Alfredo H. V. Morillo 1*, Cheyenne Neves 2
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RESUMO Este trabalho tem como objetivo apresentar uma visão geral de como é o processo de fabricação de uma roda ferroviária forjada, desde os materiais utilizados, passando pelo funcionamento do processo de forjamento indo a todas as etapas do forjamento de uma roda ferroviária e por fim f im explicando os defeitos frequentes que que ocorrem na roda.
Palavras-chave: Roda ferroviária; Forjamento; Roda ferroviária forjada; Fabricação; Defeitos. INTRODUÇÃO A roda ferroviária sofre constante desgaste causado pelo contato com o trilho, este que desfaz o perfil da roda criando os calos, eles geram vibrações no trem, que é uns dos principais motivos para o descarrilamento de veículos ferroviários, por isso os operadores ferroviários devem ter constante cuidado com o perfil da roda. A constante retífica da roda e o constante uso levam a fratura por fadiga, que muitas vezes ocorre ates do previsto, fazendo uma investigação da raiz do problema chegamos no processo de fabricação da roda, segundo norma AAR M-107 de 2007 existem dois tipos predominantes de roda ferroviária, as forjadas e as fundidas, estas com composição química muito semelhantes, porem microestrutura diferentes (1). Este trabalho tem como objetivo apresentar como é o processo de fabricação de uma roda ferroviária forjada, quais os resultados obtidos e os defeitos que podem apresentar, por fim uma comparação com a roda fundida. FUNDAMENTOS DO MATERIAL Antes da aplicação de qualquer material deve ser feito um estudo do mesmo, conhecer o comportamento mecânico é indispensável para qualquer projeto de engenharia, e confiabilidade é o que está sendo buscado com desenvolvimento de novos materiais e melhorias no processo de fabricação do material,
assim como no tratamento pós fabricação, segue a baixo informações sobre o aço utilizado nas rodas ferroviárias. Composição Química A AAR M-107 de 2007 define composições químicas de aços utilizados na roda ferroviária, são especificados 4 tipos de ações e o mais utilizado é o de classe C, na tabela 1 esta apresentado as composições dos aços. Tabela 1: Composição química de aço para rodas ferroviárias definido pela AAR M-107 (2) Carbono
Manganês
Fosforo
Enxofre
Silício
CLASSE A 0,47 - 0,57
0,6 - 0,9
MAX 0,03 0,005 - 0,04 0,15 - 1,00
CLASSE B 0,57 - 0,67
0,6 - 0,9
MAX 0,03 0,005 - 0,04 0,15 - 1,00
CLASSE C 0,67 - 0,77
0,6 - 0,0
MAX 0,03 0,005 - 0,04 0,15 - 1,00
CLASSE L MAX 0,47
0,6 - 0,9
MAX 0,03 0,005 - 0,04 0,15 - 1,00
Neste trabalho o aço mais falado vai ser o de classe C, ele é amplamente utilizado no Brasil pois sua aplicação é direcionada aos trens de carga, segue abaixo tabela 2 que mostra onde cara classe de roda é utilizada. Tabela 2 Classe de roda ferroviária e sua aplicação (1)
. Propriedades do Material O processo de forjamento exerce pouca diferença na dureza do material quando comparado com o aço fundido, porem a ductilidade, resistência ao impacto e resistência à fadiga são melhoradas. As rodas ferroviárias, sendo forjadas ou fundidas, após sua fabricação passam por tratamento térmico, levasse a pista de rolamento da roda a uma temperatura de austenização, que é entre 727 e 1495º e em seguida resfria rapidamente, com jatos de água, formando a martensita. Este processo agrega dureza ao material, o que é muito importante para o desempenho da roda no trilho, porem este aumento de dureza geram maiores taxas de desgaste (1). Segue na tabela 3 a dureza para os aços utilizados em roda ferroviária. Importante lembrar que processo de fabricação da roda quase não surti efeito na dureza. A norma AAR sugere teste de dureza Brinell e através de conversão temos os valores de dureza
Rockwell C (2). O teste de Brinell consiste em uma esfera de 10 mm de diâmetro feita com um material de alta dureza onde se aplica uma força de até 3000 kgf por até 30 s na peça a ser testada e mede-se a impressão causada, com o uso da formula 1 chegamos na dureza de Brinell. (3)
(1)
P: Valor da carga aplicada,
D: Diâmetro da esfera.
D: Diâmetro da impressão.
Tabela 3 Dureza associada a cada tipo de aços utilizado em roda ferroviária após tratamento térmico.
Os valores de resistência a tração são obtidos por ensaios recomendados pela norma BS EN 13262 de 2011, as normas inglesas dividem os aços utilizados em roda ferroviária em nove tipos, variando entre R1 até R9
(4)
. Falando da roda mais utilizada no Brasil, que seria classe C da AAR, podemos dizer que as
equivalentes na norma BS seriam a R6 e R7 (1). Tabela 4 Equivalência de classe das normas AAR e BS.
Os valores de limite de escoamento e de resistência a tração recomendados pela norma BS estão na tabela 5, estricção é a porcentagem de redução de área obtidos nos ensaios recomendados.
Tabela 5 Limite de escoamento, limite de resistência e Estricção
É fundamental que a roda ferroviária possua uma alta tenacidade a fratura, os ensaios para determinar a tenacidade da roda ferroviária é requisito ser realizado pelos fabricantes, para garantir qualidade e segurança, a tenacidade a fratura é utilizado na prevenção de criação e propagação de trincas que ocorram pelo contato roda-trilho. A tabela 6 apresenta valores mínimos recomendados pela norma AAR M – 107 e BS EN 13262. (1) Tabela 6 Valores mínimos recomendados pela norma AAR M – 107 e BS EN 13262. Tenacidade à fratura em deformação plana – K IC. (1)
Por último na roda ferroviária ocorrem falhas por fadiga de alto ciclo, o fenômeno da fadiga reduz em média 75% da resistência a tração de aços carbono martensíticos, o que pode levar a falha. A norma BS EM 13262 sugere aos fabricantes que seja realizado ensaios de fadiga antes da entrega ao cliente, assim podendo contribuir com a diminuição de defeitos causados por fadiga nas rodas ferroviárias, tanto fundidas como forjadas. FUNDAMENTOS DO FORJAMENTO O forjamento é um dos mais antigos processos de conformação dos metais, tendo suas origens no trabalho dos ferreiros de muitos séculos antes de Cristo. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existe um variado maquinário de forjamento, capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas, componentes de asas de avião e rodas de aço para a indústria ferroviária.
Figura 01 – Representação do processo de forjamento antes da Revolução Industrial. Forjamento é o processo de conformação através do qual se obtém a forma desejada da peça por martelamento ou aplicação gradativa de uma pressão. O forjamento pode ser feito a frio ou a quente. O forjamento a frio consiste em um amassamento de um corpo rígido, que é levado a uma forma desejada pelo deslocamento relativo das partículas do material sólido. O volume do material que participa da conformação permanece inalterado, portanto não há perda de material. O forjamento a quente geralmente começa pelo corte das barras, em guilhotina, para obtenção dos tarugos. Os tarugos passam por um forno contínuo para serem aquecidos e posteriormente forjados em prensa. O forjamento deverá ocorrer em duas ou mais etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes. As rebarbas do forjado são retiradas, em uma operação de corte, imediatamente após o forjamento. Após o corte, os forjados são tratados termicamente para obter-se uma microestrutura adequada à usinagem. A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, etc., são produzidas por forjamento a frio. Durante o processo de forjamento são utilizadas peças chamadas de matrizes que entram em contato com o metal durante o forjamento e geralmente são de aço-ferramenta
(5)
. Desse modo, a operação de
forjamento é classificada em matrizes abertas e fechadas. No forjamento em matrizes abertas a geometria das matrizes é bem simples e ocorre restrição ao movimento lateral do metal. Esse tipo de forjamento é usado em geral em pequenas produções de peças de grande tamanho. Para o forjamento em matrizes fechadas, o metal deve adotar a forma esculpida previamente em duas matrizes (5) (6).
Figura 02 – Forjamento livre entre duas ferramentas planas de formato simples
Figura 03 – Forjamento entre duas metades de matrizes Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de material e boa precisão dimensional. Para técnicas mais modernas é comum o uso de programas computacionais complexos, que proporcionam ganho de tempo e redução de desperdício de energia e material, conhecidos como CAD/CAM. Podem ser forjados aços carbono, aços-ligas, aços para ferramentas, aços inoxidáveis, ligas de alumínios, ligas de cobre e ligas de titânio. Utilizando como matéria prima o metal fundido ou laminado. Forjamento a quente A temperatura de forjamento é uma variável do processo e depende de cada material, ela deve ser fixada entre dois valores, o limite inferior é determinado pelo aumento excessivo da força, e o limite superior pelas variáveis ligadas a oxidação, por este motivo é crucial conhecer bem o material no qual está trabalhando o forjamento, a qualidade da peça é completamente proporcional a escolha adequada da temperatura de forjamento. (7) A escolha de forjar o material a quente facilita a deformação plástica do material, além de diminuir números de trincas e a heterogeneidade da microestrutura. As variações estruturais causado pelo trabalho a quente melhoram a tenacidade e a ductilidade do material quando comparado com processo de fundição. Em geral a uniformidade das propriedades mecânicas e dos tamanhos dos grãos na peça trabalhada a frio são melhores do que quando trabalhamos a quente, já que no forjamento a quente as deformações superficiais são maiores, possuindo grãos de menores tamanhos quanto mais próximos a superfícies, e no interior da peça, como o resfriamento é mais lento, poderá ocorrer aumento do tamanho de grãos. (8) O forjamento muitas vezes é realizado em vários passes, de início a uma temperatura bem acima do limite inferior, para ocorrer maiores deformações, e no fina a uma temperatura próxima ao limite inferior, temperatura de acabamento, isso para controlar os tamanhos dos grãos, em geral o objetivo é ter grãos pequenos, pois terão maiores resistências e tenacidade. (8) As faixas de temperaturas ideais para trabalho dos metais mais comum estão na tabela 7, estes limites devem ser controlados durante todo o processo, a temperatura não pode ser menor que a do limite inferior em
nenhuma parte da peça, e não podem ser maiores que os limites superiores, mas este segundo menos importante que o primeiro. (8) Tabela 7 Faixa de temperatura para forjamento a quente de materiais comuns. (8)
Vantagens: (8)
Menor energia requerida na deformação do material;
Melhor ductilidade e tenacidade obtida;
Homogeneização química das estruturas obtidas;
Eliminação de bolhas intergranulares;
Refino de granulação grosseira.
Desvantagens: (8)
Gasto de energia no aquecimento da peça; Necessidade de equipamentos especiais para aquecimento;
Mudanças de fases no material, requerendo maiores cuidados com controle de temperatura;
Formação de óxidos;
Maior desgaste da ferramenta;
Maiores moldes, por causa da dilatação térmica;
E menor uniformidade na estrutura da peça.
Forjamento de rodas ferroviárias Após todos os processos de fabricação do aço e dos lingotes, podemos dizer que o forjamento inicia no corte em blocos dos lingotes. Os blocos são cortados iguais, em uma proporção constante ao peso da roda a ser forjada, este corte é feito a quente utilizando processo chamado de oxicorte (1). O oxicorte é uma técnica muito utilizada em corte de materiais metálicos com alta precisão na de dimensão cortada, ele possui um corte extremamente estável,
além de ser um processo rápido, ele consiste em um jato de oxigênio causando oxidação no material, é um processo realizado a quente com uma chama controlada na região que será oxidado e cortado. (9)
Figura 04 – Demonstração de oxicorte (1) O forjamento de roda ferroviária é feito a quente, então antes de ocorrer o processo é realizado um aquecimento até a temperatura de 1250º C em forno rotativo, após isso o bloco recebe um jateamento de água para retirar carepa, uma pela formada por causa do aquecimento (1). No forjamento o primeiro passo é colocar o bloco em uma prensa hidráulica, esta prensa possui molde já no formato da roda, em seguida a roda passa por um processo de laminação no rolamento e no friso, após isso ela passa por uma prensa final, com objetivo de conformar o disco e obter o furo central, por último ela é resfriada lentamente, em um processo q leve aproximadamente 12 h. (1) Após o forjamento e a laminação da peça ela passa por um tratamento térmico, sendo aquecidas em um forno elétrico até uma temperatura de 860º C, em seguida temperada em água em pressão atmosférica e temperatura de 25º C. Logo que a peça resfria em um forno elétrico aquece a mesma a uma temperatura de 450ª C, sendo nesta etapa o momento que vai ser definido a dureza da roda. (1) Para terminar a roda passa por usinagem, sendo nesta ordem: usinagem do aro interno, do furo central, da pista de rolamento, aro e cubo externo, do disco externo e do disco interno. (1)
Figura 05: Operação de usinagem do disco interno de uma roda ferroviária.
DEFEITOS FREQUÊNTES EM RODA FERROVIÁRIA As rodas ferroviárias são fabricadas para serem substituídas somente pelo desgaste, eles não retificadas várias vezes até que não possua mais dimensão para seu uso. Qualquer outro tipo de defeito que surja na roda pode resultar em um acidente, por este motivo o projeto e fabricação da roda ferroviária deve ser rigoroso quando se trata de obter resultados de alta confiabilidade. Um dos tipos comuns de defeito na roda ferroviária é a escamação localizada (Spalling), ele é o resultado de pequenas lascas que acontecem na pista de rolamento, causando pequenas trincas e propiciando escorregamento. Spalling é de origem termomecânica que ocorre na patinação da roda sobre o trilho. (1) Outra escamação comum é a Selling, ocorre uma escamação quase contínua retirando pedaços de material da pista da roda em várias posições. Shelling ocorre a frio, diferente do spalling, ele está associado a fadiga superficial, também gera trincas circulares paralela a pista de rolamento. Ocorre devido a ação combinada de fadiga de contato e alta carga aplicada. (1) O defeito mais grave que ocorre na roda é o destacamento de material (Shaterred Rim), tem início no interior do aro e se propaga rapidamente para a superfície, ele começa em uma profundidade entre 4 mm e 8 mm propagando-se paralelo a pista de rolamento. (1)
Figura 06 Defeito de Shaterred Rim em uma roda ferroviária (1) Trincas térmicas (Thermal cracks) outro defeito frequente nas rodas, está relacionada com a introdução de grandes fluxos de calor em uma pequena seção do material. Ocorre frequentemente devido a fricção causado pela ação do freio na roda. (1) Um defeito que ocorre frequentemente em muitas peças é a concentração de tensão, ocorre devido a montagem e ao processo de fabricação da peça. Existe também a trinca circunferencial, localizado no disco internou ou externo da roda, causado por concentração de tensão no disco ou por cargas térmicas. (1) Por último importante citar o calo, defeito causado devido ao travamento da roda no momento da frenagem, gerado aquecimento localizado e através disso causando trincas em torno da área afetada. (1)
Figura 07 Calo em parte de uma roda ferroviária. (1)
CONSIDERAÇÕES FINAIS A fabricação de uma roda ferroviária pelo processo de forjamento traz melhores resultados nas propriedades mecânicas em comparação as rodas ferroviárias fundidas. Atualmente o processo de forjamento é feito em massa, talvez seja a forma de fabricação mais antiga que exista e foi muito desenvolvida com o
passar dos anos, isto contribui para que este processo seja o mais utilizado na fabricação de rodas ferroviárias. Ainda tem muito o que ser estudado, acredito que principalmente na causa das falhas, as raízes das falhas que ocorrem na peça, pois conhecendo elas é possível resolver o problema, e sempre procurar conhecer bem o material que está trabalhando, isso é fundamental para o correto processo de fabricação, por fim, desenvolver novos materiais, sempre buscando um aumento da confiabilidade e menores custos. REFERÊNCIAS 1. QUEIRÓZ, S. R. S. Pr opri edades Mecâni cas e Micr omecanismos de Fratur a de Corpos-de-prova Usinados de Rodas F er r oviárias F un didas e F orjadas. 2012, 108p. Tese Doutorado em Engenharia
Mecânica - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. 2. ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROAD. M-107/M-208 "section G": Manual of Standards and Recommended Practices Wheels and Axles. USA, 2007. 34p. 3. MARINHO A.; Ensaios de Materiais; Professor, Dr. da Universidade Estadual do Rio de Janeiro, RJ, 2009.
Disponível
em:
<
http://www.fat.uerj.br/intranet/disciplinas/Ensaio%20de%20Materiais/EM05.pdf>. Acesso em: 04 fev. 2014. 4. BRITISH STANDARDS. EN 13262. Railway applications – Wheelset and Bogies – Axles – Product requeriments. 2011. 49p. 5. HELMAN, H., CETLIN, P. R., Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais, 2ª Edição, São Paulo, Ed. Artliber, , 2005. 261p. 6. ASM HANDBOOK. Forming and Forging. 9ª Ed. USA: ASM International, 1988. Vol. 14, p. 2110. 7. SCHAEFFER, Lirio. Forjamento: Introdução ao Processo. Porto Alegre: IL, 2001. 8. FENILI, C. P.; AVALIAÇÃO DE FORJAMENTO A QUENTE, A MORNO E A FRIO. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC / Departamento de Engenharia de Materiais, Criciúma, SC, 2009. 9. RAMALHO J.; Processo de Oxicorte. Infosolda, portal brasileiro da soldagem , 16p, Disponível em: < http://www.infosolda.com.br/images/Downloads/Artigos/corte/processo-oxicorte.pdf>. Acesso em: 09 fev. 2014.
