Guia do especialista: Processo de produção e padrões de segurança de parafusos de fixação de trilhos

Um guia completo para a fabricação de parafusos ferroviários: como essas peças importantes são feitas

Os parafusos ferroviários são peças essenciais dos sistemas de trilhos de trem. Eles realizam um trabalho muito importante ao prender os trilhos aos suportes de madeira ou de concreto que ficam embaixo e ao manter os trilhos na distância correta. A quebra de um único parafuso pode causar o descarrilamento de um trem, o que é extremamente perigoso. Este artigo explica tudo sobre como essas peças vitais são fabricadas. Examinaremos cada etapa, desde a escolha dos materiais metálicos corretos até as verificações finais de qualidade que garantem que os parafusos funcionem com segurança nos trilhos de trem reais. Este guia foi escrito para pessoas que desejam entender como esses fixadores são fabricados, o que diferencia um bom parafuso de um ruim e como a maneira como são feitos afeta a duração e a segurança deles.

A base: Compreensão dos materiais

A escolha do material certo é a decisão mais importante na fabricação de parafusos ferroviários. O tipo de aço usado determina a resistência do parafuso, como ele responde aos processos de fabricação e se pode suportar as enormes forças e as condições climáticas adversas do uso da ferrovia. Todo o processo depende da seleção de um material com a composição química correta para obter o equilíbrio perfeito entre força, tenacidade e resistência a tensões repetidas após o processamento. Compreender a ciência dos metais não é apenas um aprendizado acadêmico; é o fundamento básico para a criação de um produto seguro e confiável.

Aços carbono e ligas

Os principais materiais para parafusos de trilho de alta resistência se dividem em dois grupos: aços de médio/alto carbono e aços-liga. A diferença é que os aços-liga têm elementos especiais adicionados além do carbono para obter propriedades específicas de engenharia.

Os aços de médio carbono, como o AISI/SAE 1045 ou C45, contêm cerca de 0,45% de carbono. Eles oferecem um bom equilíbrio entre resistência e flexibilidade quando tratados adequadamente com calor e são uma solução econômica para aplicações padrão em trilhos onde as cargas são moderadas. Para aplicações de maior demanda, classes como SAE 1541, com maior teor de manganês, são usadas para melhorar a capacidade de endurecimento.

Os aços-liga são escolhidos para ambientes de alta tensão, incluindo linhas de alta velocidade, curvas acentuadas e chaves com carga pesada. Elementos específicos são adicionados para melhorar o desempenho:

• Manganês (Mn): Aumenta a capacidade de endurecimento e a resistência do aço. É um elemento de liga básico em quase todos os aços de alta resistência.
• Cromo (Cr): Melhora significativamente a capacidade de endurecimento do aço, a resistência à ferrugem e a resistência a altas temperaturas. Aços como o AISI 4140 (um aço de cromo-molibdênio) são os cavalos de batalha para parafusos de alta resistência.
• Molibdênio (Mo): Melhora a capacidade de endurecimento do aço e, principalmente, aumenta a resistência em um determinado nível de dureza. Ele também ajuda a evitar a fragilidade durante a têmpera.
• Boro (B): Adicionado em pequenas quantidades (partes por milhão), o boro tem um efeito poderoso no aumento da capacidade de endurecimento do aço em aços com baixo e médio teor de carbono, permitindo alta resistência com produtos químicos mais simples e econômicos.

Entendendo as classificações dos parafusos

As normas internacionais oferecem um sistema claro para classificar os parafusos de acordo com suas propriedades mecânicas. Esse sistema permite que os engenheiros especifiquem o desempenho sem determinar a composição química exata. O sistema mais comum é o ISO 898-1, que define classes de propriedades como 8.8, 10.9 e 12.9. Na América do Norte, as normas ASTM, como A325 e A490, são comuns para juntas estruturais.

As principais propriedades mecânicas definidas por esses padrões incluem:

• Resistência à tração: A tensão máxima de tração que um parafuso pode suportar antes de quebrar. Para um parafuso de grau 10.9, esse valor é de, no mínimo, 1040 MPa.
• Resistência ao escoamento: A tensão na qual o parafuso começa a se deformar permanentemente. Essa é uma medida essencial para o projeto, pois define o limite do comportamento elástico do parafuso.
• Dureza: A resistência do material ao amassamento da superfície. Geralmente é medida por meio de testes Rockwell ou Vickers e oferece uma maneira rápida e confiável de verificar a resistência à tração e o sucesso do tratamento térmico.
• Ductilidade/alongamento: A capacidade do material de se esticar e se deformar antes de quebrar. A alta ductilidade é essencial para que os parafusos de trilho absorvam cargas de choque e vibrações sem falhar de maneira frágil.

Comparação de materiais diferentes

A seleção de um grau específico é um equilíbrio entre os requisitos de desempenho, a complexidade da fabricação e o custo.

O processo de fabricação principal

Transformar uma haste de aço bruto em um blank de parafuso de engenharia de precisão envolve uma sequência de operações de conformação cuidadosamente controladas. O objetivo não é apenas criar a forma, mas melhorar a estrutura interna de grãos do aço. Essa melhoria metalúrgica é o que proporciona a dureza e a resistência à fadiga necessárias para a sobrevivência no exigente ambiente ferroviário. O processo de forjamento, seja a quente ou a frio, é o coração dessa transformação.

Etapa 1: Preparação do material

O processo começa com grandes bobinas de fio-máquina de aço. São necessárias várias etapas preparatórias antes do início do forjamento.

• Trefilação de fio-máquina: A haste bruta é puxada por uma série de matrizes para reduzir seu diâmetro à dimensão exata necessária para a máquina de forjamento. Esse processo também melhora o acabamento da superfície e adiciona algum endurecimento inicial.
• Recozimento: Para alguns aços com maior teor de carbono ou de liga, pode ser necessário um tratamento térmico de recozimento. Isso envolve o aquecimento e o resfriamento lento do aço para amolecê-lo, tornando-o mais maleável e evitando rachaduras durante o agressivo processo de forjamento a frio.
• Tratamento de superfície: A superfície do fio deve estar perfeitamente limpa. Isso é obtido por meio de jateamento com granalha (que impulsiona a mídia abrasiva na superfície) ou decapagem química para remover qualquer carepa de laminação (óxidos de ferro) da matéria-prima. Uma superfície limpa é essencial para o forjamento sem defeitos e para a vida útil adequada da ferramenta.

Etapa 2: Análise de forjamento

O forjamento é um processo em que o metal é moldado por forças de compressão localizadas. No caso dos parafusos, isso molda a cabeça e a área onde a haste encontra a cabeça. O principal benefício do forjamento em relação à usinagem de uma cabeça é o efeito sobre o fluxo de grãos do material. O forjamento força a estrutura interna do grão a seguir o contorno da cabeça do parafuso, criando um fluxo ininterrupto de fibras. Isso é semelhante à diferença entre uma placa cortada de um tronco de árvore e uma placa feita de fibras de madeira laminadas e orientadas. O fluxo de grãos orientados aumenta drasticamente a força e a resistência à fadiga do parafuso, especialmente na área crítica em que a cabeça encontra a haste.

Forjamento a quente

No forjamento a quente, a barra de aço é aquecida a uma temperatura acima do seu ponto de recristalização, normalmente entre 1100°C e 1250°C. Nessa temperatura, o aço é altamente plástico e pode ser moldado com menos força. À medida que o material é deformado nas matrizes de forjamento, sua estrutura de grãos grosseiros e fundidos é quebrada e reformada em uma estrutura de grãos fina, uniforme e de dimensões iguais após o resfriamento. Esse processo refina o material, cura orifícios internos e resulta em excelente resistência e flexibilidade no produto final. O forjamento a quente é o principal método para a produção de parafusos de trilho de diâmetro maior (normalmente >M20), formas complexas de cabeça e parafusos feitos de aços de alta liga que são difíceis de formar a frio.

Forjamento a frio

O forjamento a frio, também conhecido como encabeçamento a frio, é realizado em temperatura ambiente ou próximo a ela. Um pedaço de arame é introduzido em uma série de matrizes e progressivamente moldado na geometria final do parafuso por meio de pressão intensa. Em vez de energia térmica, o processo se baseia na flexibilidade do material. O principal efeito metalúrgico do forjamento a frio é o endurecimento por trabalho (ou endurecimento por deformação). À medida que o material é deformado, os deslocamentos em sua estrutura cristalina se multiplicam e se emaranham, tornando-o mais forte e mais duro. Isso permite a produção de parafusos resistentes com excelente precisão dimensional e um acabamento superficial superior, muitas vezes eliminando a necessidade de usinagem secundária. No entanto, geralmente é limitado a parafusos de diâmetro menor (normalmente <M24) e formas menos complexas devido às imensas forças necessárias.

Comparação de métodos de forjamento

A escolha entre forjamento a quente e a frio é uma decisão crítica de engenharia baseada no tamanho do parafuso, no grau do material e no volume de produção.

Estágio de engenharia de precisão

Depois que a peça bruta do parafuso é forjada, são necessários mais dois processos de precisão para finalizar sua geometria e, o mais importante, para desenvolver as propriedades mecânicas especificadas. Esses processos são laminação de roscas e tratamento térmico. Não são reflexões posteriores; são etapas integrais de engenharia que criam as características finais de desempenho do fixador.

Laminação de roscas para resistência

As roscas podem ser formadas por corte ou laminação. Para qualquer aplicação de segurança crítica, como parafusos de trilho, a laminação de roscas é o método amplamente superior e geralmente necessário. A laminação de roscas é um processo de formação a frio em que a peça bruta do parafuso forjado é laminada entre duas ou três matrizes de aço endurecido. As matrizes pressionam o blank com força extrema, deslocando o material para formar as raízes e as cristas da rosca.

Esse método é superior ao corte de rosca por vários motivos importantes:

• Maior resistência à fadiga: O processo de trabalho a frio cria tensões residuais compressivas benéficas na raiz da rosca, que é o ponto mais comum de início de trincas por fadiga. Essas tensões compressivas agem para neutralizar as cargas de serviço de tração, aumentando significativamente a vida útil do parafuso à fadiga.
• Fluxo de grãos ininterrupto: ao contrário do corte de roscas, que corta o fluxo de grãos do material, a laminação força o grão a seguir o contorno da rosca. Esse fluxo contínuo de grãos aumenta a resistência da forma da rosca.
• Superfície mais dura e lisa: A pressão intensa queima as superfícies da rosca, tornando-as mais lisas e duras do que uma rosca cortada. Isso melhora a resistência ao desgaste e proporciona uma superfície de contato melhor para a porca, levando a relações de torque-tensão mais consistentes.
• Sem desperdício de material: A laminação de roscas é um processo sem lascas, que forma a rosca deslocando o material em vez de removê-lo. Isso é mais eficiente e ecológico. Isso é mais eficiente e ecologicamente correto.

Ciência do tratamento térmico

O tratamento térmico é o "interruptor" metalúrgico que transforma o parafuso forjado e rosqueado, relativamente macio e flexível, em um componente de engenharia resistente e de alta resistência. O processo libera o potencial armazenado na química do aço, permitindo que ele atenda aos requisitos rigorosos de classes como 8.8, 10.9 ou 12.9. Do ponto de vista da engenharia, é aqui que o maior valor é agregado, mas também é onde se encontra o maior risco de erro. O controle inadequado pode levar a rachaduras por têmpera, dureza insuficiente ou fragilidade.

O processo consiste em três estágios distintos:

1. Austenitização (aquecimento): Os parafusos são carregados em um forno contínuo e aquecidos a uma temperatura precisa, normalmente entre 850°C e 900°C. Nessa temperatura, a estrutura cristalina do aço se transforma em uma fase uniforme chamada austenita, na qual o carbono e os elementos de liga são totalmente dissolvidos.
2. Resfriamento: Imediatamente após a saída do forno, os parafusos em brasa são resfriados rapidamente por meio da imersão em um meio controlado, geralmente um óleo especializado, polímero ou água. Esse resfriamento rápido não permite que a austenita se transforme novamente em seu estado macio. Em vez disso, ela se transforma em martensita, uma estrutura cristalina muito dura, forte, mas frágil. A velocidade do resfriamento é fundamental e deve ser cuidadosamente controlada para atingir a dureza total sem causar choque térmico e rachaduras.
3. Revenimento: Os parafusos temperados agora estão muito frágeis para o serviço. A etapa final e crucial é o revenimento. Os parafusos são reaquecidos a uma temperatura muito mais baixa (por exemplo, 400-650°C, dependendo do grau desejado) e mantidos nessa temperatura por um tempo específico. Esse reaquecimento controlado permite que parte do carbono retido na estrutura martensítica precipite, aliviando as tensões internas e transformando a microestrutura em "martensita temperada". Essa estrutura final possui a combinação desejada de alta resistência à tração e tenacidade essencial.

Garantia de confiabilidade e controle de qualidade

Para um componente crítico para a segurança, a fabricação é apenas metade da história. É absolutamente necessário um programa de garantia de qualidade (QA) rigoroso e com várias camadas. Esse programa fornece a evidência objetiva de que cada parafuso em um lote de produção atende a todas as especificações dimensionais, mecânicas e de material. Para os profissionais de compras e de controle de qualidade, compreender essa estrutura é fundamental para avaliar os fornecedores e garantir a confiabilidade do produto final.

Três pilares da inspeção

Um sistema robusto de controle de qualidade para parafusos de trilhos é construído sobre três pilares de testes, cada um verificando um aspecto diferente da qualidade do produto: precisão dimensional, desempenho mecânico e integridade do material. Esses testes são realizados em uma base estatística para cada lote de produção, garantindo consistência e conformidade.

Principais testes de controle de qualidade

A tabela a seguir descreve os testes essenciais realizados para certificar um lote de Fixação de trilhos Produção de parafusos. Esses testes formam um portão de qualidade abrangente que impede que produtos fora de conformidade cheguem ao campo.

Rastreabilidade do lote

Além dos testes, a rastreabilidade total é uma marca registrada de um processo de produção consciente da qualidade. Cada parafuso deve ser marcado com a identificação do fabricante e o grau de propriedade (por exemplo, "10.9"). Essa marcação, combinada com os registros internos de produção, permite que um parafuso acabado seja rastreado até o calor específico do aço com o qual foi fabricado. Toda remessa de parafusos de trilho de boa reputação deve ser acompanhada de um documento de certificação formal, como um Relatório de Teste de Material (MTR) ou um certificado EN 10204 Tipo 3.1. Esse documento fornece a análise química da matéria-prima e os resultados dos testes mecânicos realizados naquele lote de produção específico.

Análise e prevenção de falhas

A compreensão de como os parafusos falham em serviço fornece um feedback inestimável para melhorar o processo de produção. Ao conectar os modos de falha comuns às suas causas básicas na fabricação, os engenheiros e as equipes de manutenção podem diagnosticar os problemas com mais eficiência e especificar produtos com confiabilidade superior. Essa abordagem analítica eleva o controle de qualidade de um simples exercício de aprovação/reprovação para um ciclo de melhoria contínua.

Modos de falha comuns

• Falha por fadiga: Esse é o modo de falha mais comum para fixadores carregados dinamicamente. Começa com uma rachadura microscópica, geralmente em um ponto de concentração de tensão, que cresce lentamente a cada ciclo de carga até que a seção transversal restante não possa mais suportar a carga, levando a uma fratura repentina.
• Causas relacionadas à produção: Uso de corte de rosca em vez de laminação de rosca, o que deixa raízes de rosca afiadas e corta o fluxo de grãos; marcas de forjamento afiadas no filete da cabeça à haste; inclusões não metálicas no aço bruto que atuam como aumentadores de tensão interna.
• Fragilização por hidrogênio: Esse é um modo de falha catastrófica e frágil que pode ocorrer em aços de alta resistência (normalmente acima de 1000 MPa de resistência à tração). Os átomos de hidrogênio podem ser introduzidos no aço durante processos como decapagem ácida ou galvanoplastia. Esses átomos se difundem para áreas de alta tensão e causam uma perda drástica de flexibilidade, levando à falha sob cargas muito abaixo da resistência ao escoamento do parafuso.
• Causas relacionadas à produção: Processos de limpeza ácida controlados de forma inadequada; não realização de um ciclo de cozimento pós-revestimento (normalmente a ~200°C por várias horas) para eliminar qualquer hidrogênio absorvido.
• Rachadura por corrosão sob tensão (SCC): Essa falha ocorre quando um material suscetível é submetido a uma tensão de tração em um ambiente corrosivo específico. A combinação desses três fatores pode levar a rachaduras e falhas.
• Causas relacionadas à produção: Seleção de um tipo de material com suscetibilidade conhecida à CEC em um determinado ambiente; altas tensões residuais de tração deixadas na peça devido a um tratamento térmico ou formação inadequados.
• Falha por sobrecarga: Essa é uma falha direta em que a carga aplicada excede a resistência do parafuso. Pode se manifestar como uma fratura flexível (com alongamento visível) ou uma fratura frágil (uma ruptura limpa sem deformação).
• Causas relacionadas à produção: Um defeito grave no material da usina siderúrgica; tratamento térmico inadequado que resulta em um produto muito macio (sobrecarga flexível) ou um produto que foi temperado de forma inadequada e é muito frágil (fratura frágil).

Etapa final: Tratamento de superfície e embalagem

As etapas finais da produção de parafusos de fixação de trilhos se concentram em proteger o parafuso acabado contra corrosão e garantir que ele chegue ao local de instalação em perfeitas condições. Embora pareçam simples, essas etapas são essenciais para a vida útil de longo prazo do fixador.

Proteção contra elementos

A escolha do revestimento é uma decisão crítica baseada na corrosividade do ambiente de serviço e na resistência do parafuso.

• Galvanização por imersão a quente (HDG): Esse processo envolve a imersão do parafuso em um banho de zinco fundido. Ele cria um revestimento espesso, durável e metalurgicamente ligado que oferece excelente e duradoura proteção contra corrosão. É uma escolha comum para aplicações gerais em trilhos.
• Revestimentos de flocos de zinco: São revestimentos não eletrolíticos de camada fina (por exemplo, Geomet, Dacromet) que consistem em flocos de zinco e alumínio em um aglutinante. Eles oferecem altíssima resistência à corrosão e, principalmente, como não são aplicados eletroliticamente, não apresentam o risco de fragilização por hidrogênio. Isso faz com que sejam a escolha preferida para parafusos de resistência de grau 10.9 e superior.
• Óxido preto / fosfato: Esses são revestimentos de conversão que oferecem resistência mínima à corrosão. Eles são usados principalmente como base para óleo ou graxa, destinados a aplicações em que o fixador será continuamente protegido por um lubrificante em um ambiente vedado.

Embalagem e logística

A etapa final é a embalagem. Os parafusos de fixação de trilhos são pesados, e a embalagem deve ser robusta. Normalmente, eles são embalados em barris de aço ou caixas de madeira reforçadas. No caso de parafusos revestidos, deve-se tomar cuidado para evitar danos à camada protetora durante o transporte. Para aplicações sensíveis, um revestimento VCI (Vapor Corrosion Inhibitor, inibidor de corrosão por vapor) pode ser usado dentro da embalagem para fornecer uma camada adicional de proteção contra a corrosão atmosférica durante o transporte e o armazenamento. A embalagem adequada garante que o componente projetado com precisão e testado quanto à qualidade chegue ao local pronto para sua missão crítica de segurança.

Conclusão

A produção de um parafuso de fixação de trilho confiável é uma combinação complexa de ciência dos materiais, engenharia mecânica de precisão e controle de qualidade rigoroso. É um processo em que cada etapa, desde a seleção da liga de aço correta e o aprimoramento de sua estrutura de grãos por meio do forjamento, até a criação de roscas resistentes à fadiga e o tratamento térmico final que define as propriedades, tem um impacto direto e significativo sobre a segurança e o desempenho da ferrovia. Uma compreensão básica não é suficiente; uma profunda apreciação técnica de todo esse processo é essencial para qualquer profissional responsável pelo projeto, aquisição ou manutenção da infraestrutura ferroviária. Este guia serve como referência técnica, demonstrando que a integridade de nossas ferrovias é construída sobre a qualidade projetada em seus componentes mais fundamentais.

• ASTM International - Testes e padrões de fixadores https://www.astm.org/
• SAE International - Normas para ferrovias e fixadores https://www.sae.org/
• AREMA - Associação Americana de Engenharia Ferroviária e Manutenção de Vias https://www.arema.org/
• ISO - Organização Internacional de Padronização https://www.iso.org/
• Instituto de Fixadores Industriais (IFI) https://www.indfast.org/
• ASM International - Materiais e manufatura https://www.asminternational.org/
• ASME - Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos https://www.asme.org/
• Associação do setor de forjamento (FIA) https://www.forging.org/
• NIST - Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia https://www.nist.gov/
• Instituto de Suprimentos Ferroviários (RSI) https://www.rsiweb.org/