Investigação Do Efeito Do Nióbio Em Aços De Médio Carbono Para Fabricação De Rodas Ferroviárias Forjadas

Abstract

This research aims to study the effect of niobium in railway wheels materials, demonstrating the metallurgical mechanism of improvement in the mechanical properties. The primary motivation for this study is the application of niobium as an industrial component, once the world’s largest mine of it is located in Brazil. The use of this element is very low due to the scarcity of studies, and the international research if focused on similar element such as vanadium and titanium which are found in many countries. There are a lot of studies about the use of niobium in association with other elements (e.g. silicon, chrome, and molybdenum) and especial heat treatment parameters to lead to more desirable mechanical properties. However, there are few studies about the effect of isolated niobium and the mechanical and metallurgical mechanisms. In the present work, were forged two railway wheels (P-33 American design) according to AAR M-107. One wheel was manufactured using the class C traditional material and the second wheel was made using the same base (class C) but with micro-addition of niobium (0.0175% Nb – percentage per weight). The micro-addition of niobium is allowed by manufacturing standards. The mechanical tests were according to European standard EN 13262 (test, location of the samples ad number of test). The results are extremely significant, with an increase of 57% in ductility, increase of 13% in toughness fracture and better performance regarding high cycle fatigue.These properties are linked to safety. It was not observed a significant reduction in material strength (yield strength -4%), what is normally expected with the increase of ductility and toughness fracture. About the hardness, it was demonstrated a little increase in the heat treatment area. After the mechanical tests, it was started the investigation to study the metallurgical mechanism by TEM/SEM. Based on the mechanical results and the metallurgical characteristics, it was possible to determine that benefits of micro addition of niobium in railway wheels improve the safety properties without reducing the mechanical strength.

Este trabalho visa estudar o efeito isolado do nióbio na fabricação de rodas ferroviárias, observando sua influência nas propriedades mecânicas e investigando o mecanismo metalúrgico que leva às propriedades evidenciadas. Uma das principais motivações desta pesquisa é o estudo e a proposição do emprego do nióbio nas mais diversas áreas industriais, uma vez que a maior jazida deste minério está localizada no Brasil e a sua restrita utilização é devido, principalmente, a falta de pesquisas, uma vez que pesquisadores internacionais tendem, naturalmente, estudar elementos similares como o vanádio e titânio que são encontrados e processados em vários países. Para o presente trabalho foram produzidas duas rodas ferroviárias forjadas (roda padrão americana P-33, largamente utilizada no Brasil), com a mesma geometria e os mesmos parâmetros de fabricação (forjamento e tratamento térmico) utilizando o material e processo estabelecido pela normal americana AAR M-101. A primeira roda fabricada com a composição química tradicional do material classe C e a segunda apenas com a mesma base, porém com a adição de 0,0175% Nb (percentual por peso). A microadição não torna o material proposto espúrio à norma de fabricação. A caracterização mecânica foi determinada pela norma europeia EN 13262 (ensaios a serem realizados, localização dos corpos de prova e repetitividade dos ensaios).Os resultados foram extremamente expressivos, constatando o aumento de 57% na tenacidade (energia absorvida no impacto), aumento de 13% na tenacidade à fratura e o melhor comportamento em fadiga com baixa carga e alto ciclo, sendo essas propriedades diretamente ligadas à segurança do componente. Não foi evidenciada redução significativa da resistência do material (tensão de escoamento -4%), o que normalmente se espera diante do aumento da ductilidade e tenacidade, em relação à dureza foi observado um aumento da mesma na região afetada pelo tratamento térmico. Foram empregadas as análises de microscopia óptica e eletrônica (varredura e transmissão). Com base nos resultados mecânicos e nas características metalúrgicas foi possível determinar os benefícios da microadição de nióbio em rodas ferroviárias aumentando as propriedades de segurança do componente, sem reduzir a resistência mecânica.