Brevet FR2572319A1 — publié le 19860502

Procédé de raccordement d'une pièce en acier austénitique au manganèse à une pièce en acier ordinaire L'invention concerne un procédé de raccordement d'une pièce en acier austénitique au manganèse à une pièce en acier ordinaire par fusion alumino-thermique et coulée d'un métal de jonction. Lors de la construction ou de la réfection des voies ferrées, il peut être nécessaire de raccorder des appareils de voie tels que des coeurs de voie en acier austénitique au manganèse (acier du type HADFIELD) aux rails de la voie ferrée en acier ordinaire. Une technique connue consiste à prévoir à l'extrémité des files de roulement de l'appareil de voie qui sont à joindre aux rails, des pièces intermédiaires, ou coupons, en un acier austénitique au chrome-nickel. De tels coupons peuvent être soudés en usine sur les files de roulement du coeur de voie, celles-ci étant ensuite soudées aux rails sur le chantier ou au contraire soudés d'abord sur les extrémités du rail puis sur les extrémi- tés des files de roulement du coeur de voie. Dans tous les cas, les opérations à réaliser sur le chantier de la voie ferrée sont longues et complexes et peuvent nécessiter la mise en oeuvre de traitements thermiques. On a cependant proposé des coeurs de voie munis de coupons de jonction en acier au chrome-nickel qui peuvent être assemblés aux rails sans traitement thermique préalable et sans traitement thermique ultérieur au soudage de raccordement. Cependant, ce procédé décrit dans le brevet français n 2.509.769 nécessite toujours le soudage préalable en atelier de coupons de raccorde- ment sur les extrémités des files de roulement de l'appareil de voie. Cette opération complique la fabrication du coeur de voie. D'autre part, le souda- ge sur le chantier demande un temps relativement long pour son exécution. On connatt d'autre part un procédé de raccordement de rails en acier ordinaire par soudure alumino-thermique. Les extrémités des deux rails à joindre sont placés en vis-à-vis avec un certain écartement dans un moule dont la section transversale reproduit la section du rail. Un creuset de fusion alumino-thermique est disposé au-dessus du moule et en communica- tion avec le volume intérieur de celui-ci. On dispose dans le creuset de fu- sion alumino-thermique un mélange de poudre constitué par de l'aluminium, de l'oxyde de fer et divers éléments d'addition tels que des fluidisants, sous forme pulvérulente. On réalise l'allumage et la fusion aluminothermi- que de l'ensemble puis on coule le métal obtenu dans le fond du creuset à l'intérieur du moule entre les deux rails. La composition de l'acier liqui- de obtenu est proche de la composition de l'acier des rails et il se consti- tue entre les rails une pièce de jonction qui se soude à l'une et l'autre des deux extrémités des rails avant de se refroidir. Les scories consti- tuées en grande partie d'alumine sont éliminées au cours de la coulée. On a proposé d'utiliser une telle technique alumino-thermique, en remplacement d'une fusion et d'une coulée classique, pour constituer sur le chantier une pièce de jonction en acier au chrome-nickel entre un appareil de voie en acier au manganèse et les extrémités des rails. Le chrome et le nickel sont alors ajoutés sous forme de poudre métallique et sont refondus dans le mélange par la chaleur dégagée par la réaction alumino-thermique. Ce procédé théoriquement très intéressant ne permet pas d'obtenir un métal de jonction de très bonne qualité en particulier à cause de son manque d'homogénéité. D'autre part, la chaleur apportée par le métal coulé peut s'avérer insuffisante pour que la soudure de la pièce de jonction sur le rail et sur l'appareil de voie soit de très bonne qualité. En effet, une partie non négligeable de la chaleur apportée par la réaction aluminothermi- que est absorbée pour la fusion des poudres métalliques de chrome et de nickel. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de raccorde- ment d'une pièce en acier austénitique au manganèse à une pièce en acier or- dinaire, par fusion alumino-thermique et coulée d'un métal de jonction allié au chrome et au nickel, consistant à disposer les extrémités à join- dre des deux pièces en vis-à-vis avec un certain espacement dans un moule communiquant avec un creuset de fusion, à disposer dans le creuset un mélan- ge de poudre comportant de l'aluminium, un oxyde de fer et des matières fluidisantes sous forme pulvérulente, à fondre le mélange par aluminother- mie et à couler le métal obtenu dans le moule entre les deux pièces, procé- dé qui permette d'obtenir très rapidement et très facilement une jonction de très bonne qualité métallurgique entre les deux pièces. Dans ce but, le mélange de poudre comporte en outre au moins un oxyde de chrome et au moins un oxyde de nickel en quantité dosée par rap- port à la quantité d'oxyde de fer, pour la réalisation par fusion et coulée dans le moule d'une pièce de jonction intermédiaire entre les extrémités des pièces à raccorder, en acier au chrome-nickel renfermant au moins 20 Z de chrome et 15 Z de nickel. On va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un raccordement suivant l'invention dans le cas d'un coeur de voie en acier au manganèse d'une nuance spéciale et de rails en acier ordinaire. Le coeur de voie est réalisé par moulage en atelier d'un acier contenant 0,78 % de carbone, 14 % de manganèse, 0,27 % de silicium et 1,26 Z de molybdène. Cette nuance spéciale d'acier permet d'obtenir une pièce moulée qui présente de bonnes caractéristiques mécaniques à l'état brut de coulée. Le coeur de croisement ne subit donc aucun traitement ther- mique après coulée. Pour son raccordement aux rails de la voie, le coeur de croise- ment est amené sur le chantier et disposé de façon que les extrémités de ses files de roulement soient dans le prolongement des rails correspon- dants, dans sa position définitive. Pour chacune des jonctions, l'extrémité du rail et l'extrémité de la file de roulement du coeur de croisement sont disposées dans un moule du type utilisé pour la soudure alumino-thermique des rails avec un espacement de l'ordre de 0,05 mètre. Le creuset de fusion disposé au-dessus du moule et communiquant avec celui-ci est rempli d'un mélange de poudre dont la composition est la suivante (rapportée à 1 kg de métal de jonction à couler): - 830 g de chromite - 254 g de NiO - 521 g de Fe203 - 20 g de silicium - 10 g de manganèse - 420 g d'aluminium. Suivant les conditions opérationnelles et les matériaux utilisés, on pourra ajouter comme fluidisants, 10 à 20 g de silico-calcium, de silica- te de soude ou de fluorure de calcium ou encore 10 à 20g d'un mélange de ces substances. Après fusion par réaction alumino-thermique de l'aluminium métal- lique sur les oxydes de fer, de nickel et de chrome et séparation du lai- tier, on coule dans le moule un métal dont la composition correspond sensi- blement à la composition des coupons en acier inoxydable au chrome-nickel tels que décrits dans le brevet français 2.509.769. La composition de cet acier inoxydable est la suivante: chrome à 28 %, nickel 20 à 25 %, silicium 1,5 à 4 %, manganèse 0,2 à 1 %, le reste, à l'exclusion des impuretés inévitables, étant constitué par du fer. Après refroidissement, on obtient une pièce de jonction en acier au chrome-nickel parfaitement soudée au coeur de croisement en acier au man- ganèse d'une part et aux rails d'autre part. Cette pièce, d'une longueur d'environ 0,05 mètre, empêche toute diffusion de constituant entre l'acier au manganèse du coeur de croisement et l'acier ordinaire du rail. La jonction obtenue présente une parfaite qualité métallurgique et mécanique sans qu'il soit nécessaire d'opérer un traitement thermique ul- térieur à la coulée. Ceci est obtenu grâce aux conditions dans lesquelles se produit la fusion alumino-thermique et également au choix de la nuance spéciale en acier à 14 Z de manganèse pour la réalisation du coeur de croisement. On a effectué des examens micrographiques sur des éprouvettes pré- levées dans une jonction réalisée à l'aide du procédé. Ces examens microgra- phiques ont montré qu'à l'interface métal-soudure, aussi bien du côté de l'acier à 14 Z de manganèse que du côté de l'acier ordinaire au carbone, les matériaux ne sont pas affectés de façon défavorable par le procédé de raccordement. En particulier, les matériaux de base ne présentent pas de brûlures ou de zones o les carbures sont précipités. La réalisation du raccordement est très rapide puisque le métal fondu est obtenu par réaction alumino-thermique en une durée voisine d'une minute. Le raccordement est obtenu sur des pièces sur lesquelles on n'ef- fectue aucune préparation spéciale à part leur disposition dans un moule standard bien connu dans la technique de soudure alumino-thermique des rails. Dans le cas de formes spéciales ou compliquées, on pourrait réali- ser un moule sur place directement sur les pièces à joindre. Cependant, il faut prendre certaines précautions dans la prépara- tion et la conservation des poudres, ces poudres devant être d'une granulo- métrie parfaitement déterminée, mélangées de façon homogène au moment de leur introduction dans le creuset de fusion et totalement exemptes d'eau. Si l'on fait abstraction des additions faibles mais nécessaires de silicium et de manganèse sous forme métallique ou sous forme de composés apportant ces éléments, la composition en poids du mélange de départ, en ce qui concerne les éléments se retrouvant dans la pièce de jonction, est sen- siblement la suivante: % de chromite, 15 à 20 % de NiO et 30 à 35 % de Fe2O3 en poids. A ces substances, on ajoute, pour réaliser la réaction alumino- thermique, à peu près 25 % en poids d'aluminium sous forme pulvérulente. Des ajouts faibles de silicium et de manganèse sont nécessaires pour obte- nir notamment une bonne coulabilité de l'acier. La composition optimale visée pour la pièce de jonction est la suivante: chrome 25 %, nickel 20 %, carbone inférieur à 0,15 %. Cependant, il sera possible d'obtenir une pièce de jonction de qualité suffisante si le chrome est supérieur à 20 % et le nickel supérieur à 15 % en poids. Dans le procédé suivant l'invention, les pièces de jonction en acier au chrome-nickel servent uniquement à éviter une interdiffusion des constituants des deux éléments à joindre et à assurer ainsi une jonction parfaite de ces pièces. Ces pièces de jonction n'ont pas le rôle de bou- clier thermique qui leur est imparti dans le cas o les soudures sur l'appa- reil de voie et sur le rail sont successives dans le temps. Ceci résulte bien sûr du procédé de jonction par coulée de la pièce intermédiaire mais il est bien évident que la composition de l'acier à 14 % de manganèse qui ne subit pas d'évolution défavorable par échauffement permet d'obtenir une jonction de bonne qualité. On pourra donc utiliser un coupon de jonction d'une longueur fai- ble comprise entre 0,02 et 0,10 mètre. Ce coupon de jonction présente une dureté suffisante pour que la surface de roulement résiste en service, sans qu'il soit nécessaire de pré- voir une couche d'usure sur cette surface. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été dé- crit. C'est ainsi qu'on peut utiliser à la place de chromite et d'oxyde de nickel NiO, d'autres oxydes de chrome et de nickel, leur quantité étant cependant calculée pour fournir la quantité voulue des éléments chrome et nickel à l'acier inoxydable de la pièce de jonction coulée. On pourra utiliser le procédé pour la jonction de coeurs de croi- sement en acier Hadfield classique à 1,2 % de carbone et 12 % de manganèse. Cependant, si l'on veut éviter tout traitement thermique sur le chantier, il est préférable d'utiliser un coeur de croisement en acier à 0,7 à 0,9 % de carbone, moins de 1 % de silicium, 13 à 15 % de manganèse et 1 à 1,8 % de molybdène. Enfin, le procédé suivant l'invention peut être utilisé pour le raccordement de pièces en acier austénitique au manganèse à des pièces en acier ordinaire différentes d'appareils de voie et de rails respectivement. Le procédé suivant l'invention pourrait être adapté également à l'obtention de pièces coulées en acier inoxydable par méthode aluminothermique ou pour l'exécution de certaines réparations. REVENDICATIONS 1.- Procédé de raccordement d'une pièce en acier austénitique au manganèse à une pièce en acier ordinaire, par fusion alumino-thermique et coulée d'un métal de jonction allié au chrome-nickel, consistant à disposer les extrémités à joindre des deux pièces en vis-à-vis, avec un certain espacement, dans un moule communiquant avec un creuset de fusion, à disposer dans le creuset un mélange de poudre comprenant de l'aluminium, un oxyde de fer et des matières fluidisantes sous forme pulvérulente, à fondre le mélan- ge par alumino-thermie et à couler le métal obtenu dans le moule entre les deux pièces, caractérisé par le fait que le mélange de poudre comporte en outre au moins un oxyde de chrome et au moins un oxyde de nickel en quantités dosées par rapport à la quantité d'oxyde de fer, pour la réalisation par fusion et cou- lée dans le moule d'une pièce de jonction intermédiaire entre les extrémi- tés des pièces à raccorder, en acier au chrome-nickel renfermant au moins Z de chrome et 15 % de nickel. 2.- Procédé de raccordement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange de poudre renferme sensiblement 50 % de chromite, 15 à 20 % d'oxyde de nickel NiO et 30 à 35 % d'oxyde de fer Fe203 en poids ainsi que de petites quantités de poudre de silicium ou de manganèse métallique et de la poudre d'aluminium dans une proportion sensi- blement égale à 25 % en poids du total des autres éléments. 3.- Procédé de raccordement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce de jonction intermédiaire renferme, en proportions pondérales, 20 à 28 % de chrome, 20 à 25 % de nickel, 1,5 à 4 % de silicium, 0,2 à 1 % de manganèse, le reste, à l'exclusion des impuretés inévitables, étant du fer. 4.- Procédé de raccordement suivant l'une quelconque des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le mélange de poudre comporte une addition d'une substance choisie dans le groupe: silicocalcium, silicate de soude, fluorure de calcium, comme matières fluidisantes pour favoriser la décanta- tion du laitier formé lors de la fusion. 5.- Procédé de raccordement suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, dans le cas o la pièce en acier austénitique au manganèse est un appareil de voie ferrée et la pièce en acier ordinaire un rail, caractérisé par le fait que le raccordement est effectué entièrement sur le chantier de la voie ferrée, sans mise en oeuvre de traitement thermique avant ni après la coulée de métal de jonction. 6.- Procédé de raccordement suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'appareil de voie est en un acier au manganèse dont la composition est la suivante: carbone 0,7 à 0,9 %, silicium moins de 1 %, manganèse 13 à 15 Z, molybdène 1 à 1,8 %. 7.- Procédé de raccordement suivant l'une quelconque des revendi- cations 5 et 6, caractérisé par le fait que les extrémités à joindre de l'appareil de voie et des rails sont disposées dans le moule avec un écartement compris entre 0,02 et 0,10 mètre.