Materiais de placas de pressão, tratamento térmico, fadiga

O que a placa de pressão carrega

A placa de pressão fica entre a base do trilho e o dormente ou placa de base, distribui a força de fixação do sistema de fixação sobre a base do trilho e ajuda a segurar o trilho lateralmente. Ele vê um espectro de carga flutuante: cada passagem da roda adiciona um pulso de compressão e a curvatura adiciona flexão lateral. Uma placa que perde resistência ou desenvolve fissura altera a distribuição de carga de todo o conjunto de fixação e o trilho passa a se mover sob ela. A resistência à fadiga, a capacidade de sobreviver a milhões de ciclos de carga sem rachar, é, portanto, a principal propriedade de projeto do material da placa e é criada no forno de tratamento térmico, não na sala de desenho. As duas famílias de aços utilizadas, o aço médio carbono C45 e o aço mola 60Si2Mn, foram escolhidas exatamente por este motivo: ambas respondem bem ao tratamento térmico, e a rota do processo decide se a placa serve por anos ou falha em meses.

Têmpera e têmpera versus normalização para C45

A têmpera e o revenido formam o sorbite temperado, uma estrutura que combina alta resistência com tenacidade, de modo que a placa resiste tanto à compressão alternada das cargas do trem quanto ao impacto das rodas planas. A estrutura normalizada, perlita mais ferrita, tem menor tenacidade e as trincas por fadiga iniciam-se precocemente em pontos de concentração de tensão, como bordas de furos e cantos de seções. A diferença no limite de fadiga, 250 MPa contra 180 MPa, se traduz diretamente em vida: sob o mesmo espectro de carga, a placa normalizada dura apenas cerca de 60% do tempo. Para um componente que permanece no caminho certo por anos, o custo extra da rota de têmpera e revenimento é recuperado muitas vezes em custos de inspeção e substituição.

Endurecimento superficial de placas 60Si2Mn

Onde a placa também deve resistir à abrasão da base do trilho, o aço para molas grau 60Si2Mn é endurecido superficialmente por aquecimento por indução e resfriamento rápido. A superfície atinge HRC 45 a 50 com uma densa camada martensítica, o que aumenta a resistência ao desgaste em mais de duas vezes. Mais importante para a fadiga, a camada superficial endurecida carrega tensão de compressão residual que cancela parte da tensão de flexão de tração das cargas do trem, aumentando o limite de fadiga em 25 a 30 por cento. A estrutura é deliberadamente composta por duas-camadas: um invólucro rígido-resistente ao desgaste por fora e um núcleo resistente e temperado por dentro, e é por isso que o design é chamado de rígido por fora e resistente por dentro. Essa combinação faz com que as placas de 60Si2Mn com superfície-endurecida sejam a escolha preferida para linhas de transporte-pesadas, onde a abrasão e a fadiga agem juntas. A profundidade de endurecimento e a dureza do núcleo devem ser especificadas, porque um revestimento muito fino se desgasta e um núcleo muito duro perde tenacidade.

Extinguir rachaduras e sua prevenção

As fissuras de têmpera são o defeito clássico do tratamento térmico e têm três causas. Primeiro, o aquecimento muito rápido cria uma grande diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo e um alto estresse térmico. Segundo, o resfriamento muito rápido na têmpera permite que a tensão de transformação da austenita em martensita exceda a resistência local do aço. Terceiro, cantos vivos e arestas de furo sem chanfros atuam como concentradores de tensão onde a tensão de transformação é aliviada. As medidas de prevenção são padrão: aquecer em etapas para que a diferença de temperatura permaneça pequena, têmpera em um meio graduado, como um banho de nitrato, para retardar o resfriamento, e chanfrar cada canto vivo e borda do furo com um raio de 0,5 mm ou mais antes do endurecimento. Uma placa com trinca por resfriamento é sucata, porque a trinca se abre sob carga e se transforma em falha por fadiga, portanto o custo da prevenção é muito inferior ao custo do defeito.

Aceitação da dureza e o perigo de valores errados

A dureza é a porta-de chão de fábrica para a qualidade do tratamento térmico. Uma placa C45 temperada e revenida deve medir HRC 22 a 28, e uma placa 60Si2Mn endurecida superficialmente deve medir 45 a 50 HRC na superfície. Se a dureza for demasiado elevada, acima de HRC 55, a placa torna-se frágil: a resistência ao impacto cai mais de 40% e a placa pode fraturar sob carga de impacto, com o risco mais elevado nas baixas temperaturas do inverno. Se a dureza for muito baixa, abaixo de HRC 35, a resistência e a resistência ao desgaste são insuficientes, a placa deforma-se plasticamente sob a carga lateral do trilho, forma-se um degrau na face de contato e o trilho começa a deslizar lateralmente e alargar a bitola. Ambos os modos de falha reduzem a vida útil da placa e desestabilizam o sistema de fixação, razão pela qual o teste de aceitação inclui medição de dureza em um número definido de peças por lote.

Verificações de campo em placas instaladas

No local, o estado do tratamento térmico é verificado sem equipamento de laboratório. Um durômetro Rockwell portátil mede a dureza da superfície e confirma a faixa, HRC 22 a 28 para C45 temperado e revenido e HRC 45 a 50 para 60Si2Mn endurecido superficialmente. A superfície é examinada quanto a trincas, descarbonetação e deformação; qualquer um deles rejeita a placa. Inspetores experientes também usam o teste de som: uma placa temperada e revenida soa com um tom profundo, uma placa-endurecida de superfície com um tom nítido e um tom rouco sugere uma rachadura interna. Quando há suspeita de um lote, amostras são coletadas para testes de resistência ao impacto para confirmar o tratamento térmico antes que as placas sejam liberadas para a pista. As mesmas verificações se aplicam às mercadorias recebidas, e o comprador deve especificar a janela de dureza, a taxa de amostragem e o método de teste no acordo técnico.

Por que a têmpera e o revenido são melhores do que a normalização para placas de pressão?

Porque forma sorbite temperado, que combina resistência com tenacidade. O limite de fadiga aumenta de cerca de 180 MPa para 250 MPa e a vida útil praticamente duplica em comparação com uma placa normalizada do mesmo aço.

Que dureza uma placa de pressão deve ter?

Uma placa C45 temperada e revenida deve ter HRC 22 a 28, e uma placa 60Si2Mn endurecida superficialmente deve ter HRC 45 a 50 na superfície. Valores acima de HRC 55 apresentam risco de fratura frágil e abaixo de HRC 35 apresentam risco de deformação plástica.

Como são evitadas as fissuras de têmpera?

Por aquecimento escalonado, têmpera graduada em banho de nitrato e chanframento de cada canto vivo e borda do furo com raio de 0,5 mm ou mais. Os chanfros removem os pontos de concentração de tensão onde a tensão de transformação racha o aço.

O que acontece se a placa for muito dura?

A placa fica quebradiça, com resistência ao impacto reduzida em mais de 40%. Ele pode fraturar sob carga de impacto do trem, e o risco é maior em condições frias de inverno, portanto dureza acima de HRC 55 é rejeitada na aceitação.

Como é verificada a qualidade do tratamento térmico no local?

Com um testador de dureza Rockwell portátil contra a janela especificada, uma verificação visual de rachaduras e descarbonetação e o teste de som com um martelo. Um tom rouco indica uma rachadura interna e lotes suspeitos vão para testes de resistência ao impacto.

C45 ou 60Si2Mn, qual material para placas-pesadas?

O 60Si2Mn com endurecimento superficial é a escolha-para transporte pesado: a superfície HRC 45 a 50 resiste à abrasão da base do trilho e a tensão de compressão residual aumenta o limite de fadiga em 25 a 30 por cento, enquanto o núcleo resistente evita fraturas.