Brevet FR2391282A1 — publié le 19781215

La présente invention se rapporte à un procédé pour la fabrication de rails à caractéristiques améliorées. L'accroissement de la densité de circulation que l'on observe actuellement sur les réseaux de chemin de fer, ainsi que l'augmentation des charges admlses par essieu sur les rails de chemin de fer (spécialement les rails Vignoles) ont comme conséquence l'apparition d'un marché croissant pour des rails dont les caractéristiques exigées ont été relevées, à savoir une charge de rupture minimale de 110 kg/mm2. I1 est bien connu que pour augmenter la charge de rupture d'un acier, on augmente à due proportion sa teneur en carbone, en manganèse et éventuellement en silicium. Pour éviter les inconvénients dus à la fabrication d'un acier à trop haute teneur en carbone et en manganèse, tels que par exemple la fragilité, la mauvaise soudabilité, on a été amené à introduire un ou l'autre élément d'alliage tel que par exemple du chrome, ce qui présente un autre inconvénient, à savoir d'augmenter sensiblement le prix de revient de l'acier. Par ailleurs, la soudabilité de ces aciers qui, dans le cas précis des rails de chemin de fer, doit être sauvegardée de façon impérative, est loin de pouvoir être considérée comme satisfaisante, même dans le cas où l'on incorpore à l'acier des éléments d'alliage, tels que du chrome. Pour essayer de remédier à cette insuffisance de soudabilité, ainsi qu'au coût important dû à l'introduction des éléments d'alliage, on a envisagé d'autres processus de fabrication, caractérisés notamment par un refroidissement brusque des rails à la sortie du laminoir Jusqu' une température à laquelle la transformation de la perlite était arrêtée, grand soin étant toutefois pris pour éviter toute apparition d'une fraction de martensite, notamment sur le bord du patin du rail. Il ne parait toutefois pas que ce dernier procédé ait permis d'obtenir des rails de qualité, de façon suffisamment économique pour être considéré comme intéressant. D'une façon très générale, les procédés susmentionnés ne semblent pas avoir résolu dans des conditions industri elles - la déformation du rail en cours de traitement, - la suppression des tensions internes, dues à la forme de la section du rail, - le contrôle de toute trempe éventuelle. La présente invention à précisément pour but de révéler un procédé grâce auquel on peut obtenir, de façon très économique, des rails tels que des rails Fignoles, répondant aux caractéristiques exigées pour ceux-ci, à savoir - une charge de rupture minimale de IIO kg/mn2 - un allongement minimum à la rupture de I2 ffi (calculé sur 5 diamètres), - une bonne résistance aux chocs et à l'écaillage, - une structure perlitique très fine, sans ferrite proeutec toide, - une structure en dureté uniforme, spécialement dans le bourrelent, - une excellente résistance à l'usure et à la fatigue, - une aptitude au soudage non altérée, - une composition chimique ne faisant pas appel à de coûteux éléments d'alliage. Le procédé, objet de la présente inventions est essentiellement caractérisé en ce que, à la sortie du laminoir, le rail dont la composition chimique est caractérisée par une teneur en carbone comprise entre 0,55 % et 0,8 , une teneur en manganèse comprise entre 0,9 % et I,3 , ainsi qu'une teneur en silicium comprise entre O,I5 et 0,35 ffi est introduit dans un bain aqueux dont la capacité de refroidissement est, d'une part, supérieure à celle de l'eau bouillante etss d'autre part, inférieure à celle de l'eau à température ambiante, le rail étant maintenu dans le bain Jusqu' ce que la température du bourrelet soit descendue en dessous de 625 C en un point situé au moins I5 mm sous le niveau supérieur du bourrelet. La détermination de l'instant auquel cette température est atteinte se fait par précalcul, à partir des caractéristiques du métal du rail et de eelles du bain. Suivant une modalité avantageuse du procédé de l'in Invention, le bain aqueux contient en solution ou en suspension des éléments permettant d'accroître le transfert calorifique du rail vers le bain. De préférence, on utilisera un bain à température d'ébullition contenant environ 4 ffi de silicate de soude, le bain étant lui-même par ailleurs soumis à une agitation appropriée. Une des façons les plus efficaces d'assurer une agitation appropriée du bain consiste à faire usage de gicleurs immergés dans le bain, ainsi que de pompes de recyclage du dit bain. On peut ainsi modifier localement le refroidisse ment à appliquer au rail et assurer une trempe satisfaisante du bourrelet du rail, sans courir le risque d'apparition de tensions internes entre bourrelet et patin. Il suffit, après avoir réglé les gicleurs de manière à assurer la trempe du bourrelet, de réduire sensiblement leur action refroidissante, une fois que la transformation allotropique a eu lieu au moins dans sa plus grande partie, ce qui permet de maintenir patin et bourrelet sensiblement à la même température jusqu'après refroidissement complet.On a en effet constaté, fait imprévisible, d'une part que les températures moyennes du patin et du bourrelet restaient sensiblement égales jusqu'à environ 650 "C, dans le cas où seul le bourrelet était soumis à l'action d'un fluide bouillant rendu turbulent par les gicleurs immergés et d'autre part, que la suppression de la turbulence au voisinage du bourrelet, en dessous de cette température, ne provoquait pratiquement pas de distorsion ther mique dans le rail. L'exemple donné ci-après permet de se rendre compte de l'lntdrêt du procédé. La figure I, relative à cet exemple, représente, en fonction du temps (coordonnées logarithmiques) la température moyenne du bourrelet (courbe 2) et du patin d'un rail (courbe l), dans l'hypothèse où l'ensemble du rail est plongé dans l'eau bouillante et où seul le bourrelet est soumis à turbulence créée par des gicleurs immergés. On constate que Jusqu'd environ 650 OC, les temprératures moyennes de ces deux parties du rail évoluent de manière sensiblement égale. On peut donc s'attendre à un minimum de déformation du rail dans ce domaine de températures. Par contre, à plus basse température, les températures moyennes du champignon et du patin se différencient nettement l'une de l'autre. On élimine au moins partiellement cette différence en interrompant l'agitation de l'eau après la fin de la transformation allotropique dans la partie utile du bourrelet. La figure 2 montre un exemple de trempe étagée d'un rail où lton parvient à minimiser la différence de températures moyennes entre bourrelet et patin. Sur cette figu re, la courbe 2 représente en fonction du temps la température moyenne du bourrelet et la courbe I, la température moyenne du patin. Une telle trempe comporte les différentes phases successives suivantes I. une trempe dans le bain aqueux bouillant (par exemple Jus qu'à 670 C) - rail entièrement immergé - bourrelet soumis i turbulence II. phase de suppression de l'agitation (par exemple Jusqu'd 640 "c) III. bourrelet seul immergé (par exemple Jusqu'd 500 C) IV. refroidissement à l'air calme. REVENDICATIONS. I / Procédé de fabrication de rails, c a r a c t é r i s é en ce que, à la sortie du laminoir, le rail dont la composition chimique est caractérisée par une teneur en carbone comprise entre 0 > 55 % et 0 > 8 o,8 , une teneur en manganèse comprise entre 0,9 et I,3 0, ainsi qu'une teneur en silicium comprise entre 0,15 et 0,35 %, est introduit dans un bain aqueux dont la capacité de refroidissement est d'une part supérieure à celle de l'eau bouillante et, d'autre part, inférieure à celle de l'eau à température ambiante, le rail étant maintenu dans le bain jusqu'à ce que la température du bourrelet soit descendue en dessous de 625 C en un point situé au moins I5 ivin sous le niveau supérieur du bourrelet 20/ Procédé suivant la revendication I, c a r a c t é r i s é en ce que le bain aqueux contient en solution ou en suspension des éléments permettant d'accroitre le transfert calorifique du rail vers le bain. 30/ Procédé suivant la revendication 2, c a r a c t é r i s é en ce que le bain est à température d'ébullition et contient environ 4 % de silicate de soude, ce bain étant lui-meme par ailleurs soumis à une agitation approprée. 40/ Procédé suivant la revendication 3, c a r a c t é r i s é en ce que l'agltatlon appropriée du bain est assurée au moyen de gicleurs immergés dans le bain, ainsi que de pompes de recyclage dudit bain. 5 / Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica tions 3 et 4 c a r a c t é r i s é en ce qu'on modifie localement le refroidissement à appliquer au rail de façon à assurer une trempe satisfaisante du bourrelet du rail. 60/ Procédé suivant la revendication 5, c a r a c t é r i s é en ce que, après avoir réglé les gicleurs de manière à assurer la trempe du bourrelet, on réduit sensiblement leur action refroidissante, une fois que la transformation allotropique a eu lieu au moins dans sa plus grande partie.