Brevet FR2490244A1 — publié le 19820319

L'invention concerne la métallurgie des moulages en acier au manganèse et en particulier des moulages pour voies ferrées comprenant les coeurs d'aiguilles et les croisements. Les installations de voies ferrées sous forme de croisements ou de pièces d'aiguillages sont faites habituellement en acier au manganèse austénitique, choisi pour son aptitude à supporter des travaux durs. Ainsi, quand elles sont déformées plastiquement, par exemple, par l'impact de la roue d'un wagon de chemin de fer qui se déplace à grande vitesse, la pièce moulée devient plus dure à l'endroit de l'impact, et en conséquence devient plus difficile à déformer. Théoriquement l'alliage contient environ 0,9 à 1,4 pour cent de carbone, onze à quatorze pour cent de manganèse, est traité à environ 1040'C, et est trempé pour développer les meilleures propriétés, habi- tuellement une résistance à la flexion de 3500 à 3900 kg/cm2 et un allongement d'environ quarante pour cent (ou mieux). La déformation initiale du moulage pour voie ferrée se traduit par une dépression de la surface de rou- lement du rail et un fluage du métal en rebords non supportés, ce qui exige un travail d'entretien après l'installation. Le problème est important avec les véhicules de cent tonnes du moment présent. L'un des objets de l'invention est de produire un alliage d'acier au manganèse dont la résistance à la flexion soit plus grande et l'allongement favorable, dont la résistance à la charge des wagons de cent tonnes soit meilleure tout en conservant une bonne ductilité et de réduire ainsi les besoins de travaux d'entretien. L'invention a aussi pour objet de mettre au point un alliage qui ne possède pas seulement une résistance à la flexion plus élevée, combinée avec une ductilité accepta- ble, même dans des sections lourdes ou épaisses, qui possède une meilleure aptitude à résister à un impact important d'une charge, mais qui soit aussi capable de répondre d'une façon reproductible à un traitement à la chaleur (aussi bien au point de vue solution que vieillissement). Il a été effectué récemment des efforts pour améliorer la résistance à la flexion de l'acier au manga- nèse. Avery et Chapin (brevet U.S NI 2 075 838) ont pratiqué un traitement à la chaleur après austénitisation (comme il est prévu de le faire ici), et ont fait état d'une résistance à la flexion exceptionnellement élevée, mais l'allongement était considérablement réduit. Baggstrom (brevet US NI 3 383 203) décrit une composition très proche de celle que prévoit l'invention, mais pratique un traitement à chaud qui rend l'alliage cassant, comme on le montrera. On a aussi connaissance d'un effort fait par certains techniciens pour arriver à des propriétés supérieu- res par une combinaison de nickel, de chrome et de vanadium, et bien que l'on ait obtenu une résistance-à la flexion élevée combinée avec un allongement acceptable, la réponse au traite- ment thermique a été variable avec des résultats imprévisibles. En conséquence, cet effort n'a pas été poursuivi. Le but que se propose l'invention, augmen- ter la résistance à la flexion jusqu'à environ 5.270 kg/cm au minimum avec une ductilité acceptable, et qui soit pratique économiquement, est atteint en associant une modification d'un alliage dans d'étroites limites à un traitement thermique (aus- ténitisation) de solution dans d'étroites limites qui précède un traitement thermique de vieillissement dans d'étroites limites, le tout avec des résultats reproductibles (que l'on puisse prévoir). On a constaté que la combinaison hautement désirable d'une résistance à la flexion minimum de 5 270 kg/cm2 environ, et d'un allongement minimum de 30 % (bonne ductilité pour une telle résistance) peut Atre obtenue par un équilibre soigneux des principaux éléments de l'alliage (plus spécialement du carbone et du vanadium) tout en s'appuyant sur des champs très étroits des températures au cours des traitements thermi- ques de mise en solution et de vieillissement, et qu'elle assure la production de résultats reproductibles. Spécialement, on a constaté que si l'alliage (recommandé) est limité essentielle-. ment aux chiffres suivants (pourcentages en poids) Carbone 0,85 Manganèse 14 Silicium 0,6 Chrome 4 Nickel 3,6 Vanadium 0,4 3 2493244 -le reste étant essentiellement du fer, à part les impuretés et éléments étrangers, - l'alliage peut subir un traitement thermique pour arriver à une résistance à la flexion d'environ 5 270 kg/cm2 au minimum et à un allongement minimum d'environ 30 pour cent dans les conditions suivantes: austénitisation à 1120'C pendant deux heures suivi d'une trempe à l'eau, puis vieillissement à 5380C pendant dix heures. On peut permettre une variation de la température en plus ou en moins au cours de chaque phase du traitement thermique, en dépendance avec la durée de maintien à la température. Il y a par suite une infinité de conditions équivalentes pour les deux heures de traitement d'austénitisa- tion (minimum 10931C) et les deux heures de traitement de vieil- lissement dans la zone de 510 à 5930C. Le traitement n'en est pas moins unique pour un alliage particulier, comme on le verra. On peut admettre les variations suivantes, en fonderie, sans affecter d'une façon importante la combinaison recherchée de résistance à la flexion et d'allongement Carbone 0,8/0,9 Manganèse 10/18 Silicium 0,2/1,2 Vanadium 0,3/0,5 Chrome 3,5/4,5 Nickel 3,4/4 - le reste étant essentiellement du fer, à part les impuretés et éléments étrangers. Les figures 1 et 2 représentent en plan des types de pièces de voies de chemin de fer moulées par coulée, que l'on peut obtenir suivant l'invention. Les effets du traitement thermique de vieillissement sur le présent alliage (alliage MVB) ressortent des chiffres données dans le tableau suivant: TABLEAU I Effet de la température de vieillissement sur les propriétés mécaniques d'acier à 0,4 % V MVB Mn de 25,4 mm 0 (D-14) ---------------------------------------------------------------- Traitement thermique no 78-031 C 0,85 Mn Si 14,21 0,49 Cr V Ni P S A1 3,83 0,46 3,51 0,02 0,017 0,051 A. Austénitisé à 1120 C pendant 2 h - trempe à l'eau Spécimen 78-031-4 78 031-8 78 031-9 78 031-5 78 031-6 78 031-7 78 031-10 78 031-11 Traitement de vieillissement aucun 482 C-10 h-AC5) 510 C-10 h-AC 538 C-10 h-AC 566 C-10 h AC 593 C-10 h-AC 593 C-2,5 h-AC 593 C-5 h-AC RF1) RT2) A13) DS4) 4 188 4 650 4 960 414 550 870 295 660 8 525 8 436 8 366 8 085 7 593 7 663 7 804 7 910 64,5 56,5 51,5 26,5 23,5 33,5 51,9 41,0 34,1 29,2 ,1 ,2 R. Allo+oni-cA 1naloC. 78 031-12 510 C-10 h-AC 78 031-13 538 C-10 h-AC 78 031-14 566 C-10 h-AC 1) RF résistance à la flexion 2) RT 3) Al 4) DS ) AC =nAnn+n 19 h - A i O] àaii 4 930 182 263 kg/cm2 8 225 8 120 7 487 44, 5 27,5 43,7 ,8 résistance à la traction kg/cm2 Allongement diminution de la surface refroidissement à l'air. Une température d'austénitisation plus basse (1093 C) peut demander une température de vieillissement plus élevée, ou une durée de vieillissement plus grande pour arriver aux propriétés désirées. Une température d'austénitisa- tion plus élevée (1121 C) sera préférée car elle permet une plus grande souplesse dans les conditions de vieillissement subséquentes. D'autre part, le spéciemn 78 031-5 fait preuve des valeurs optimum. - BHN . on obtient sensiblement les mêmes résul- tats en réduisant la proportion de vanadium à environ 0,35 TABLEAU II Traitement Thermique No C% Mn% Si% CR% VW/o Ni% P% Ai% 78-535 0,86 14,20 0,49 3,96 0,34 3,54 0,029 0,070 Spécimen* Traitement de vieillissement** RF RT A1% DS% BHN 78 535-5 aucun 4 140 8 225 61 52,2 202 78 535-6 5380C-10 h-AC 5 380 7 980 33 36 235 * Tous les barreaux éprouvettes sont des moulages D-14 de ,4 mm 0, - **Tous les barreaux éprouvettes ont été austénitisés à 1121'C pendant 2 h, puis trempés a l'eau avant le vieillissement. Les traitements thermiques consisteront de préférence en un traitement thermique de solution à 11210C pendant deux heures, une trempe et ensuite un vieillissement à 538'C pendant dix heures, mais il est évident qu'il peut se présenter une légère variation, en plus ou en moins, dans les deux températures et dans les temps bien que l'on puisse arriver ainsi au minimum, encore a une résistance à la flexion de 270 kg/cm et à un allongement de 30 % environ. L'alliage de Baggstrom, comme on le remar- quera, est très voisin. Une différence réside dans la plus grande proportion de nickel et de vanadium utilisée par Baggs- trom. Son traitement thermique produit un effet catastrophique sur l'alliage; cela ressort des chiffres suivants o le type 79-552 a une. composition ainsi voisine que possible du présent alliage tout en restant dans les limites posées par Baggstrom: 6 2490244 TABLEAU III Type 79 552 (pourcentage en poids) Co/ Mn% Si% CR% Ni% %P/a Alliage présent() 0,85 +,04 Baggstram Théorie Analyse 0,50 0,80 0,8 0,78 14,00 0,60 4,00 3,60 0,40 +0,50 +0,20 +0,20 +0,10 +0,07 9,0 18,0 13,0 13,50 0,50 0,80 0,50 0,60 2,0 6,0 4,0 4,14 7,0 11,0 7,3 7, 57 Procédé ( 0,08 % A1 dans le creuset avant la fusion coulée ( sur 0,25 % CaSi dans la poche ( 0,65 % V sous forme de Ferrovan A la moitié de la ( coulée ( Fusion: 1659 C ( Coulée: 1538 C Traitement thermique alliage 1 121 C - 2 h - trempe à l'eau Présent alliage( 538 C -10 h refroidissement à l'air Baggstromt 1 149 C - 1 h - trempe à l'eau ' 649 C-10 h - refroidissement à l'air (1) Les tolérances sont celles que l'on tolère en fonderie. Valeurs à la traction sur une matière de 25.4 mm de section 79-552 Identification - 25 79-552-4 Traitement thermique 1 149 C-1 h- T.E - 649 C- h -AC 79-552-5 79-552-7 RF RT Allongement 1735 1735 0 1690 1701 1121 C-2h- T.E - 538 C- h-AC 79-552-8 5520 7951 5650 8296 ,5 27,5 Dimunition de surface % 1,6 1,9 16,3 37,6 RF = Résistance à la flexion RT T.E= Trempe à l'eau AC On peut voir = Résistance A la traction = Refroidissement à l'air. d'après les valeurs de résis- tance à la traction que l'on voit ci-dessus que le traitement thermique de Baggstrom produit, quand on l'applique sur un alliage de Baggstrom aussi voisin que possible de l'alliage 0,60 1,00 0,65 0,61 suivant l'invention, une variation imprévisible des propriétés, variation qui est considérablement atténuée par le traitement thermique suivant l'invention. Dans les figures 1 et 2 sont illustrées des pièces moulées pour voies ferrées typiques auxquelles on peut appliquer l'invention, la figure 1 montrant un coeur d'aiguillage et la figure 2 un croisement, toutes deux ayant des sections de plus de 25,4 mm d'épaisseur. Le vanadium peut être ajouté sous la forme de ferrovanadium, en commun avec un retour ou de la mitraille d'une opération précédente; on peut aussi l'ajouter sous la forme de l'additif au vanadium Ferrovan qui est fourni par Foote Mineral Company. R E V E N D I CA T I 0 N S 1 ) Métal ferreux pour la fabrication de pièces coulées caractérisé en ce qu'il est capable de supporter une austénitisation à 1121 C pendant2heures, suivie d'une trempe à l'eau et ensuite d'un traitement de vieillissement à 538 C pendant dix heures pour y développer une résistance à la flexion d'environ 5270 kg/cm minimum et un allongement minimum d'envi- ron 30 % et qu'il est constitué essentiellement de: Carbone 0,85 % en poids Manganèse 14 % Silicium 0,6 % Chrome 4 % Nickel 3,6 % Vanadium 0,4 % le reste étant essentiellement du fer, à part les impuretés. 2 ) Pièces moulées suivant la revendica- tion 1, caractérisées en ce qu'elles ont la forme de coeurs d'aiguillage ou de pièces de croisement. 3 ) Pièces moulées suivant l'une des revendications 1 et 2, ayant des sections d'au moins 76,2 mm d'épaisseur, caractérisées en ce qu'elles sont austénitisées à 1121 C pendant deux heures, ce traitement étant suivi d'une trempe à l'eau et d'un vieillissement à 538 C pendant dix heures.