ARTIGO Rodas Microligadas: Estudo e aplicação nas ferrovias da Vale Isaias Moreira de Freitas 1, Bruno Teieira Barros 2, Francisco Nascimento Chagas 3 1 Ger. de Engenharia Ferroviária, Av. Dante Micheline, 5500, CEP: 29090-900, Vitória ES, 2 Ger. de Manut. de Vagões, Av. Dante Micheline, 5500, CEP: 29090-900, Vitória ES, 3 Ger. de Manut. de Vagões, Av. dos Portugueses, S/N Anjo da Guarda 65085 580 São Luís MA e-mail: isaias.freitas@vale.com, bruno.teieira.barros@vale.com, francisco.nascimento@vale.com A confiabilidade aliada à redução de custo dos materiais é atualmente um dos fatores mais avaliados pelas Operadoras Ferroviárias. Os componentes de alto custo como rodas ferroviárias estão em pleno desenvolvimento com estudos de novos materiais e de processos produtivos, na busca pelo aumento do desempenho operacional. Um grande desafio é a validar os resultados obtidos em laboratório através de testes de campo. O objetivo deste trabalho é apresentar os estudos e testes de campo com rodas microligadas realizados nas ferrovias da Vale. Foram avaliadas rodas com aços convencionais e microligados ao vanádio e ao nióbio, que foram fabricadas pelos processos de fundição e forjamento. Os estudos foram realizados em laboratório através da análise de propriedades mecânicas e microestrutural de seis rodas. Os testes de campo foram realizados na EFC e na EFVM para avaliar o desempenho em operação. A partir dos resultados obtidos foi possível concluir a superioridade das rodas microligadas com ao ganho de vida apresentado, atendendo as epectativas de taa de desgaste. Palavras-Chaves: Vagões; Rodas ferroviárias; Aço microligado; Alto desempenho. 1. INTRODUÇÃO Entre os anos de 2008 a 2013, ocorreram pelo menos 40 falhas catastróficas em rodas ferroviárias de vagões durante a operação de trens na Estrada de Ferro Vitória a Minas (EFVM), gerando descarrilamentos e até tombamentos de trens. As investigações demonstraram falhas prematuras em rodas ferroviárias ocasionadas por trincas térmicas e mecânicas, inclusões ou vazios. Essas falhas podem ser influenciadas pelo tipo de material, grau de micro limpeza do aço, propriedades mecânicas e metalúrgicas, entre outros. Uma nova geração de rodas denominada microligadas tem ganhado o mercado. As rodas microligadas contém micro adições de vanádio e nióbio, além de cromo e molibdênio, que melhoram significativamente as propriedades mecânicas e a resistência ao desgaste. Esse comportamento melhorado em aços modificados por micro adição de elementos de liga foi observado nos trabalhos de Robles Hernández [1], Najafi, Rassizadehghani e Norouzi [2], Hajisafari, M. e Nategh, S. [3] e Oliveira [4]. Além do material, o tipo de processo de fabricação também é importante, pois cada tipo de processo de fabricação confere as rodas algumas propriedades que irão influenciar em seu desempenho em operação. Como o custo de uma roda pode representar até 50% do orçamento da manutenção de vagões, um estudo focado em materiais com melhores propriedades e alto desempenho é necessário. O objetivo deste trabalho foi avaliar os resultados das propriedades de diferentes composições de aços microligados de rodas ferroviárias de vagões de carga através de ensaios em laboratório e teste de campo.
2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 2.1. Ensaios em laboratório Foram escolhidas seis rodas com basicamente 0,7% de carbono, diâmetro de 33 polegadas, que atendem a norma AAR M-107/M-208, sendo: 1-fundida convencional classe C, 2-fundida microligada ao vanádio, 3-fundida microligada ao nióbio, 4-forjada convencional classe C, 5-forjada microligada ao vanádio e 6-forjada microligada ao nióbio. Os corpos de prova foram retirados da região do aro da roda, por se tratar do local de maior solicitação mecânica e térmica. Na figura 1 mostra a região de retirada dos CP s. GDE e GDT em operação. O teste teve duração de 3,3 anos e início no 1 semestre de 2011 na EFC. Na EFVM teve duração de três anos com início no 1 semestre de 2012. Foi aplicada uma amostragem aproimada de 200 rodas (72 pçs na 1 vida, 64 pçs na 2 vida e 64 pçs na 3 vida) de cada fabricante, em cada ferrovia. A dureza no aro das rodas variou de 350 a 390 HB. Rodas microligadas ao nióbio não foram aplicadas nesse teste. Os dados foram coletados através de waysides, dados da casa de rodas e pontos de inspeção da ferrovia. Os critérios de avaliação foram: taa de desgaste (mm/) do friso e bandagem e defeitos. A epectativa de ganho de vida útil foi estimado em 30%. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Propriedades Mecânicas Com adição de vanádio e nióbio o limite de escoamento melhorou entre 5% a 12% nas rodas. O limite de resistência da forjada foi o maior valor, apesar da redução com a adição do nióbio, conforme mostra figura 2. Figura 1 - Identificação das regiões na roda ferroviária para retirada dos CP s. A quantidade de amostras e tipos de ensaios em laboratório estão descritos na tabela 1. Tabela 1 Amostras e ensaios em laboratório. Descrição dos ensaios Quantidade de amostras Análise metalográfica usando MO 3 Ensaios de dureza 2 Ensaios de tração 2 Ensaios de impacto Charpy 3 Ensaios de tenacidade à fratura 3 2.2. Teste de campo O teste de campo foi realizado nas ferrovias da Vale. Foram instaladas rodas microligadas fundidas e forjadas em vagões de minério Figura 2 Propriedades de limite de escoamento e limite de resistência. A redução de área e alongamento melhoraram na forjada, com até 35% de aumento com adição de nióbio. Já na fundida houve uma piora nos resultados com a adição das microligas. Adicionando vanádio, por eemplo, ocorre uma perda de até 90% na redução de área e 20% no alongamento. A figura 3 apresenta as propriedades de redução de área e alongamento. No ensaio de impacto a roda forjada ao nióbio foi a única que atendeu a norma AAR [5] com
valor superior a 15 Joules. A roda fundida ao vanádio apresenta valor máimo de 7,7 Joules. A figura 4 apresenta os valores de propriedades do impacto. microligas. Destaca-se a roda forjada ao nióbio que apresentou uma melhora de 60%, valor de 70 ksi in. Redução de Área e Alongamento (%) Figura 6 Propriedades de tenacidade à fratura. Figura 3 Propriedades de redução de área e alongamento. 3.2. Microestruturas As microestruturas são constituídas basicamente por perlita fina e ferrita no contorno de grão devido à composição química próima ao eutetóide (0,77% de C). Nas rodas forjadas observa-se uma estrutura mais refinada. As figuras 7 a 9 apresentam as propriedades microestruturais dos materiais analisados em laboratório. a b Figura 4 Propriedades de impacto charpy. A medição de dureza foi realizada em três pontos do aro, sendo a dureza 1 à 9,5 mm da pista, a dureza 2 à 25,4 mm da pista e a dureza 3 à 47,2 mm da pista. Observa-se um aumento da dureza em todas as rodas com a adição da microligas, conforme figura 5. Figura 7 (a) Forjada e (b) Fundida - Convencional classe C. a b Figura 8 (a) Forjada e (b) Fundida microligada ao vanádio. a b Figura 5 Propriedades de dureza no aro. A tenacidade à fratura da roda forjada melhorou e da roda fundida piorou com a Figura 9 (a) Forjada e (b) Fundida - microligada ao nióbio.
3.2. Desempenho no teste de campo 3.2.1 Estrada de Ferro Carajás Na EFC as rodas foram inspecionadas periodicamente em pontos de inspeção na ferrovia e na oficina de manutenção. Os dados levantados no 2 semestre de 2014 para a montagem do relatório final estão apresentados na tabela 2. Tabela 2 Vida da roda convencional e rodado. Vida média total () médio mensal Vida média da roda (anos) 860.000 13.135 5,47 As rodas microligadas rodaram em média 525.000 durante 3,3 anos. Foram coletados os dados de inspeção e usinagem das rodas microligadas. Pode-se observar que a roda forjada foi usinada após intervalos maiores. Como a média de material retirado nas usinagens da microligada foi de 10 mm, a taa de desgaste da forjada foi menor. A tabela 3 apresenta os resultados. médio para usinagem de 101.533,5 e uma taa de desgaste média de 0,0640 mm/1000, portanto o desempenho da microligada na EFC está descrito na tabela 4. Tabela 4 Desempenho da roda microligada na EFC em relação a convencional. Forjada Fundida Microligadas Forjada fundida 65,37% 48,83% 11,10% De todas as rodas microligadas inspecionadas, aproimadamente 70% não apresentaram defeitos superficiais, sendo usinadas por outros motivos. Algumas rodas foram usinadas com 11 meses e outras com até 40 meses. A figura 10 mostra as rodas fundidas com desgaste na pista antes da primeira usinagem, após 295.000 rodados no GDT 109344. Tabela 3 Dados de inspeção e usinagem da roda microligada. Tipo Quant. rodas Média entre usinagens Mês Taa de desgaste mm/1000 Forjada 138 19,64 257.971,4 0,0387 Fundida 172 17,69 232.358,1 0,0430 Total 310 Nota 1 - Esses resultados podem variar em função das diversas variáveis envolvidas na ferrovia e no desempenho do truque do vagão. Nota 2 - O período médio de usinagem na EFC é de 7,73 meses e a profundidade média de corte é de 6,50 mm [6]. Nota 3 - Apesar das rodas microligadas terem profundidade média de corte 50% maior (em torno de 10 mm) comparada a convencional, sua taa de desgaste é menor, favorecendo para que as rodas microligadas permaneçam em operação por mais tempo. Para a roda convencional admitiu-se dados de Figura 10 Rodas forjadas em operação após 295.000.
A figura 11 mostra as rodas forjadas em boas condições após 146.000 no GDT 107350. As rodas microligadas rodaram em média 456.000 durante 35,6 meses. Foram coletados os dados de inspeção e usinagem das rodas microligadas. Pode-se observar que a roda forjada foi usinada após intervalos maiores. Como a média de material retirado nas usinagens da microligada foi de 10 mm, a taa de desgaste da forjada foi menor. A tabela 3 apresenta os resultados. Tabela 3 Dados de inspeção e usinagem da roda microligada. Tipo Quant. rodas Média entre usinagens Mês Taa de desgaste mm/1000 Forjada 64 31,62 405.567,5 0,0313 Fundida 80 29,50 378.374,5 0,0337 Total 144 Nota 1 - O período médio de usinagem da roda convencional na EFVM é de 15,6 meses e a profundidade média de corte é de 9,49 mm [7]. Nota 2 - Apesar das rodas microligadas terem profundidade média de corte 30% maior (média de 12,7 mm) comparada a convencional, sua taa de desgaste é menor, favorecendo para que as rodas microligadas permaneçam em operação por mais tempo. Figura 11 Rodas forjadas em operação após 146.000. 3.2.2 Estrada de Ferro Vitória a Minas Na EFVM as rodas foram inspecionadas periodicamente em pontos de inspeção na ferrovia e na oficina de manutenção. Os dados levantados no 2 semestre de 2014 para a montagem do relatório final estão apresentados na tabela 2. Tabela 2 Vida da roda convencional e rodado. Vida Vida média médio Tipo média da roda mensal () (anos) Forjada 1.908.360 12.825 12,4 Fundida 1.354.320 12.825 8,8 Para a roda convencional admitiu-se dados de médio para usinagem de 200.203,4 e uma taa de desgaste média de 0,0474 mm/1000, portanto o desempenho da microligada na EFVM está descrito na tabela 5. Tabela 4 Desempenho da roda microligada na EFVM em relação a convencional. Forjada Fundida Microligadas Forjada fundida 51,50% 40,60% 7,75% Na figura 12 são apresentados os gráficos de defeitos obtidos para as rodas da EFVM separados por fundido e forjado, conforme as vidas 1, 2 e 3. Para a roda forjada observa-se que apresentou defeitos apenas na 1 vida, destacando-se a fadiga com 13 registros. Para a roda fundida observa-se que apresentou
defeitos em todas as vidas, destacando-se a fadiga com 13 registros na 1 vida, 7 registros na 2 vida e 13 registros na 3 vida. Em segundo vem a ovalização representando 13,89% dos registros. Figura 14 Aspecto visual das rodas forjadas após 370.000. 4. CONCLUSÃO Figura 12 Defeitos nas rodas fundidas e forjadas conforme as vidas. Na figura 13 mostra as rodas microligadas fundidas na 1 vida após 330.000 no GDE 202818. Figura 13 Aspecto visual das rodas fundidas após 330.000. Na figura 14 mostra as rodas microligadas forjadas na 1 vida após 370.000 no GDE 205943. - As rodas microligadas foram aprovadas e demonstraram ser uma ótima opção para aplicação nas ferrovias, pois apresentou melhora nas propriedades mecânicas e alto desempenho em operação. - Nos ensaios de laboratório, ambas as rodas microligadas fundidas e forjadas apresentaram melhora no limite de escoamento e resistência. Porém para os ensaios redução de área, alongamento, impacto e tenacidade à fratura a forjada melhorou com adição de microligantes, sendo a roda forjada ao nióbio a única que atendeu plenamente a norma AAR. A fundida apresentou comportamento inverso, demonstrando sua fragilidade ao impacto e tenacidade como consequência do processo de fabricação. - Nos testes de campo a taa de desgaste foi avaliada, onde a epectativa de vida de 30% foi superada através dos resultados apresentados. Na EFC houve um aumento de vida de 65% para a forjada microligada e 49% para a fundida microligada. Na EFVM houve um aumento de vida em 51% para a forjada microligada e 40% para a fundida microligada. - Em relação aos defeitos superficiais a roda fundida apresentou maior quantidade nas três vidas quando comparada a forjada. 5. AGRADECIMENTOS Agradecer ao time das oficinas de vagões da EFVM e EFC que ajudaram na coleta de dados e inspeções das rodas. 6. REFERÊNCIAS [1] ROBLES HERNÁNDEZ, F. C.; CUMMINGS, S.; KALAY, S.; STONE, D. Properties and microstructure of high performance wheels. Wear, v. 271, n. 1-2, p. 374 381, 2011.
[2] NAJAFI, H.; RASSIZADEHGHANI, J.; NOROUZI, S. Mechanical properties of as-cast microalloyed steels produced via investment casting. Materials & Design, v. 32, n. 2, p. 656 663, 2011. [3] HAJISAFARI, M.; NATEGH, S.; YOOZBASHIZADEH, H.; EKRAMI, A. Improvement in Mechanical Properties of Microalloyed Steel 30MSV6 by a Precipitation Hardening Process. Journal of Iron and Steel Research, International, v. 20, n. 5, p. 66 73, 2013. [4] OLIVEIRA, L. G.; GUIMARAES, V. A.; PESCI, P. G. S.. Comportamento em fadiga de aço microligado para rodas ferroviárias. In: CBECIMAT, 2012, Joinville. 20º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2012. v. 1. p. 8971-8978. [5] AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROAD. M-107/M-208: Manual of Standards and Recommended Practices Wheels and Ales - Section G. Washington, 2014. [6] Santos, M. O. Doctec 17750 - Plano Diretor da Manutenção Ferroviária Vagões EFC 2015 a 2019. 2014. [7] Freitas, I. M. Doctec 17706 Parecer Técnico Definitivo Rodas Microligadas_rev3. 2015.