Study of sliding wear in rail and wheel steels: effect of hardness ratio, normal load and lubrication in pin-on-disc tests.

Os engenheiros e pesquisadores ferroviários trabalham para definir métodos e processos que indiquem qual a melhor forma de se estender a vida útil de trilhos e rodas, reduzir o consumo de diesel das locomotivas e aumentar a segurança operacional. Para isso, alguns procedimentos são empregados, tais como, compatibilidade entre dureza trilho/roda, gerenciamento total do atrito (lubrificação), dentre outros. Este estudo tem como objetivo verificar o efeito da razão de dureza do par tribológico roda-trilho, da força normal e da lubrificação no desgaste por deslizamento. Para isso, foi usado o sistema modelo de ensaio pino contra disco para simular o desgaste do flange da roda versus o canto de bitola e da lateral do boleto do trilho. Os pinos foram extraídos de roda fundida aço classe C e os discos foram extraídos de trilhos com aços das classes intermediária e premium, todos hipereutetóides e com dureza superficial respectivamente de 321, 347 e 392 HB. Os trilhos são perlíticos e a roda bainítica em sua superfície. Nos ensaios a seco e lubrificados se comparou a resistência ao desgaste por deslizamento em função de três forças normais (40, 80 e 120 N). Os resultados obtidos mostraram que as razões entre durezas trilho/roda de 1,1 e 1,2 estudadas apresentaram taxa de desgaste globais iguais para ambos os sistemas durante os ensaios de desgaste por deslizamento na condição a seco. Para o desgaste dos corpos de forma isolada, o pino de roda classe C fundida (microestrutura bainítica) desgastou-se mais do que os discos de trilhos premium e intermediário (microestrutura perlítica). Com a presença de lubrificante na interface ente pino e disco durante todo o ensaio de desgaste, obteve-se taxas de desgastes iguais tanto para as duas razões entre durezas quanto para as três forças normais estudadas, mostrando que a adição de lubrificante eliminou o efeito destas duas variáveis. Como contribuições tecnológicas recomendadas às operações e manutenções ferroviárias, destacam-se: utilizar trilhos premium ao invés do intermediário; adotar o mapeamento integral de dureza do boleto do trilho e realizar otimização da lubrificação de trilhos, pois haverá redução significativa do coeficiente de atrito e, consequentemente, nas reduções de consumo diesel pelas locomotivas.Railroad engineers and researchers work to define methods and processes that indicate the best way to extend the useful life of rails and wheels, reduce locomotive diesel consumption and increase operational safety. For this, some procedures are used, such as hardness compatibility between rail/wheel, total friction management (lubrication), among others. This study aims to verify the effect of the hardness ratio of the tribological wheel-rail pair, normal load and lubrication on sliding wear. For this, the pin versus disc test model system was used to simulate the wear of the wheel flange versus the gauge corner and the lateral of railhead. The pins were extracted from a wheel class C steel cast and the discs were extracted from rails with intermediate and premium class steels, all hypereutectoids and with surface hardness of 321, 347 and 392 HB respectively. The rails are pearlitic and the wheel is bainitic on its surface. In dry and lubricated tests, resistance to sliding wear was compared as a function of three normal loads (40, 80 and 120 N). The results obtained showed that the studied rail/wheel hardness ratios of 1.1 and 1.2 presented equal overall wear rates for both systems during sliding wear tests in dry conditions. For body wear alone, the wheel class C steel cast (bainitic microstructure) worn more than the premium and intermediate rail discs (pearlitic microstructure). With the presence of lubricant at the interface between pin and disc throughout the wear test, equal wear rates were obtained for both the two hardness ratios and the three normal loads studied, showing that the addition of lubricant eliminated the effect of these two variables. As a recommended technological practices to railroad operations and maintenance include: use of premium rails instead of intermediate; adopt railhead hardness full mapping of and optimize rail lubrication, as there will be a significant reduction in the coefficient of friction and, consequently, reductions in diesel consumption by locomotives