Brevet FR2642087A1 — publié le 19900727

PROCEDE DE TRAITEMENT DE LA COUCHE SUPERFICIELLE DE RAILS OU D'APPAREILS DE VOIE La présente invention concerne un procédé de traitement de la couche superficielle de rails ou d'appareils de voie, destiné notamment à augmenter leur résistance à la fatigue. La resistance à la fatigue des rails est essentiellement gouvernée par la propreté inclusionnaire interne, le niveau des contraintes internes résiduelles, la microstructure du matériau constitutif et leur état de surface. Les procédés connus de fabrication des rails ont déjà permis d'améliorer considérablement les caractéristiques relatives aux trois premiers points évoques ci-dessus. En ce qui concerne l'étant de surface, les procédé de fabrication par coulée continue et laminage universel procurent une qualité de surface déjà très bonne. Toutefois il s'est avéré nécessaire, notamment dans le cas des rails utilisés dans des conditions très difficiles, tels que ceux utilisés pour des voies ferrées supportant des tonnages importants, ou dans le cas des appareils de voie tels que les éléments dtaiguillage, d'améliorer encore leur résistance à la fatigue. Tel est le but de la présente invention. Plus précisément, le but visé est de réduire les contraintes de traction existant ou apparaissant en service dans la couche superficielle des rails et spécialement dans certaines zones de celui-ci, plus particulièrement soumises à ces contraintes. Avec cet objectif en vue, la présente invention a pour objet un procédé de traitement de la couche superficielle des rails ou appareils de voie, ou de certaines zones de celle-ci. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on effectue sur les zones à traiter un premier traitement de durcissement d'une pellicule superficielle, puis on effectue un second traitement consistant er: une passe de grenaillage pour créer ou augmenter les contraintes de compression dans la couche superficielle d'épaisseur supérieure à celle de ladite pellicule. Selon une disposition particulière de l'invention, le premier traitement consiste en une première passe de grenaillage de faible intensité menée de façon à n'agir que sur une faible profondeur, la seconde passe de grenaillage constituant le second traitement étant de forte intensité pour augmenter l'épaisseur de ladite couche superficielle. Selon une autre disposition particulière, les zones traitées sct la face inférieure du patin du rail et/ou les congés de ratcorderrent de l'âme au patin et de l'âme au champignon du rail. Par a mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les inventeurs ont pu instaurer dans une couche superficielle relativement épaisse d'ur. ral des contraintes de compression suffisantes pour éviter lors de l'utilisation de ce rail la création de contrainte de traction rédhibitcire à sa bonne résistance à la fatique. Selon des essais effectués par les inventeurs, l'amélioration de la limite de fatigue obtenue a été de l'ordre de 3C , conduisant à une notable augmentation de la curée de service du rail ainsi traité. L'invention apparaîtra plus clairement et d'autres caractéristiques et avantages ressortiront dans l'exposé qui va être fait en liaison avec les dessins annexés dans lesquels - la figure I est une vue en perspective d'une portion d'un rai classique de chemin de fer - les figures la et lb représentent schématiquement et de manière volontairement exagérée, les déformations de rails soumis à certaines sollicitations de flexions transversales - la figure 2 est un schéma montrant la répartition des contraintes dans la section d'un rail après son dressage par galets - la figure 3 est un schéma équivalent dans le cas d'un rail dressé par traction - la figure 4 est une représentation à échelle agrandie de la répartition des contraintes dans la zone du patin du rail apres ledit traitement - la figure 5 est une représentation graphique du niveau de contrainte en fonction de la durée de service pour un rail traité et un rail non traité. Dans les études menées préalablement à l'invention, les inventeurs se sont attachés à déterminer les contraintes d'usage de rails de chemin de fer, et la localisation de ces contraintes. Ils ont pu constater que les parties du rail les plus sujettes aux efforts en service, se traduisant par des contraintes de traction localisées, sont la surface inférieure 31 du patin 3 et les congés supérieurs 41, et inférieurs 42 de raccordement de l'âme 2 d'une part au champignon et ex d'autre part au patIn J. Par exemple pour des rails de chemin de fer de typel3E RE, c inertie 4000 cm4, posés sur une voie de raideur 5 kg/mm/mm, et parcourus sous charge de 15 t par roue, la contrainte longitudinale statique de traction sous le patin, dans la direction représentée par les flèches 32, est de l'ordre de 100 MPa dans le cas où la surface inférieure du patin est parfaitement lisse. En cas de traverses danseuses, c est-à-dire de traverses auxquelles le rail ne transmet pas intégralement la charge qu'il supporte, ce qui n'est pas rare, cette contrainte peut atteindre 200 MPa et plus.Dans le cas d'une surface inférieure du patin perturbée par un défaut, un coefficient de concentration de contrainte de 3 à 4 est.tout à fait vraisemblable portant localement la contrainte répétée en traction à 300 ou 400 MPa, valeur qui se situe précisément au niveau de la limite d'endurance dudit rail. En outre, souvent l'assise des rails sur leurs supports (selles par exemple) ne se fait pas de naniere répartie sur toute la largeur du patin et il arrive que les rails reposent sur les traverses seulement par les bords longitudinaux 34,35 du patin. Cela engendre une contrainte de traction (représentée par les flèches 33) à -la surface du patin, orthogonale à la contrainte 32 due à la flexion générale de la voIe. 1 e resulte l'établissement, dans le patin, d'un système de contraintes de traction biaxial dont la valeur peut facilement dépasser a limite d'endurance du rail tel que fabriqué actuellement. Par ailleurs sous certaines sollicitations mécaniques le rail tend à se déformer élastlquenent par flexion selon la direction représentée par les flèches 11. Cette déformation peut se produire par un déplacement du champignon seul, l'âne restant fixe (cas A, figure la > ou par un déplacement de l'ensemble âme et champignon (cas B, figure lb), le patin restant fixe dans les deux cas. Dans ces cas, les congés de raccordement supérieurs 41 (cas A), ou supérieurs 41 et inférieurs 42 (cas B) subissent des tractions/compressions alternées pouvant initier des fissures traversant l'âme de part en part au niveau du congé. Ces fissures initialement localisées évoluent toujours en avaries graves car elles dégénèrent en fissures longues qui se propagent dans l'âme jusqu'au patin. Par exemple, les inventeurs ont pu mesurer dans les congés supérieurs 41 des contraintes de traction dans un plan transversal au rail (représentées par les flèches 21) atteignant 200 MPa, et même 400 à 500 MPa à proximité des éclisses de raccordement de deux rails. Ce mode de sollicitation se produit soit lorsqu'il y a combinaisons d'efforts verticaux et transversaux importants sur le champignon, par exemple dans les courbes de voie, soit lorsque, du fait d'un mauvais profil des roues dû à leur usure, celles-ci exercent sur le champignon un effort désaxé par rapport à l'âme, créant ainsi un couple de basculement du champignon. Dans le cas de rails pour appareils de voie tels que des rails usinés pour aiguillages, l'usinage crée une rugosité de surface qui peut devenir importante par exemple du fait de l'usure des outils 'usInage, et favoriser la création de contraintes de tractions en pea-, c'est-a-dIre sur une certaine profondeur à partir de la surface uslnee. Dans ce cas, conne dans celui des rails de voie, les contraintes de traction risquent de dégénérer en fissures. En effet, Il est bien cornu que lorsqu'une pièce est sollicitée en peau par des efforts de traction répétés, il se crée, sur des imperfections de surface des foyers d'Initiation de fissures dont la propagation se faIt ultérieurement par fatigue ou par bonds fragiles. Dans le douzaine ce la fabrication des rails, il était donc admis que la limite d'endurance de la peau, ou couche superficielle, et donc la durée de service étaient conditionnées par la qualité de surface délivrée par le laminoir ou par les usinages pratiqués dans le cas des rails d'appareils de voie. De plus les contraintes installées dans un rail lors de sa fanrication dépendent aussi des opérations de dressage des rails menées après laminage. La figure 2 réprésente l'état de contrainte dans une section droite du rail au niveau du plan médian, dans le cas d'un dressage par galets, et la figure 3 le même état de contrainte canes le cas de dressage car traction. Les parties de courbes situées à gauche des lignes verticales V correspondent à des contraintes de compression # c et les parties de ces courbes situées à droite correspondent à des contraintes de traction Gt. Bien que dans ce dernier cas le champ de contraintes soit relativement faible et bien réparti, les contraintes de tractions résultantes apparaissant en service à la face inférieure du patin peuvent néanmoins être très importantes, ainsi que cela a été indiqué précédemment. Dans le cas du dressage par galets, le problème était encore plus important puisque les contraintes de service à la face inférieure du patin s'ajoutent à celles installés par le dressage. Les inventeurs ont en fait trouve un moyen de réduire ces contraintes de traction voire de les supprimer, voire même de créer lors ds la fabrication des rails des contraintes de compression en peau, plus particulièrement dans les zones précédemment indiquées de la face inférieure du patin, et des congés de raccordement, ces contraintes de compression étant suffisantes pour compenser au moins partiellement, les contraintes de traction de service. L'objectif visé, et atteint par le procédé selon l'invention, est aussi de créer des contraintes de compression en surface sans endommager la surface et ceci sur une épaisseur suffisante pour éliminer l'effet des défauts macrogéométriques résultant du laminage. Pour créer ces contraintes de compression les inventeurs on imaginé le procédé selon l'invention consistant à réaliser dans une première phase, un durcissement superficiel d'une pellicule de faible épaisseur des zones à traiter1 puis à soumettre ces zones à un grenaillage de forte intensité. Le grenaillage de précontraihte encore appelé shot peening était déjà connu dans d'autres domaines techniques, mais ne pouvait s'appliquer directement aux rails avec le but visé par la présente invention. En effet la couche superficielle des rails est relativement plastique sur une épaisseur relativement forte. Les inventeurs ont découvert que, de ce fait, un grenaillage d'intensité suffisante pour instaurer des contraintes de compression dans une couche superficielle suffisamment épaisse conduirait à une détérioration de la surface des zones traitées sans pour autant générer de manière efficace et sur une profondeur suffisante les desdites contraintes de compression. I1 leur est par exemple apparu, que lors d'un fort grenaillage effectué directement sur la surface des zones à traiter, les grains de grenaille frappant la surface avec une énergie importante pouvaient soit déformer celle-ci aux points d'impact, soit-encore rabattre latéralement des "pics" de rugosité par dessus des "creux" de rugosité adjacents, en dissimulant ceux-ci et créant ainsi des microfissures de surface préjudiciables à la bonne tenue du rail en service, et contraires au but recherché. De plus, du fait de la plasticité de la couche superficielle, chaque grain de grenaIlle arrivant sur la surface a tendance à déformer la surface au point d'impact en déplaçant la métal frappé par chaque grain selon une direction tangentielle à la surface, ce déplacement tendant à annuler le déplacement similaire -antérieur provoqué par les grains projetés auparavant. En conséquence, une grande partie de l'-énergie des grains sert inutilement à effectuer un déplacement au détriment de l'énergie utile pour créer une compression du matériau constitlEt~f de la peau, dans la direction perpendiculaire à la surface. L'épaisseur de peau subissant les effets d'un tel grenaillage est e conséquence faible, et a pu être évaluée à 2 à 3 dixièmes de milimètre. Selon le procédé conforme à l'invention, le durcissement superficiel des zones à traiter, préalable au grenaillage de forte intensité, forme en quelque sorte en surface une pellicule durcie qui, lorsqu'elle est ensuite frappée par la grenaille, n'a pas tendance à se déformer et donc transmet pratiquement intégralement l'énergie fournie par les grains à ladite pellicule durcie, à la couche immédiatement sous jacente. L'épaisseur totale de la couche ainsi traitée peut aInsi atteinre 8/10 mm et les contraintes de compression engendrées dans cette couche sont élevées. Dans Le cas particulier où la première phase provoquant le durcissement superficiel est réalisé par un grenaillage de faible intensité , celui-ci évite de plus les inconvénients évoqués ci-dessus de déformation de la surface ou même de création de microfissures. En effet l'énergie des grains étant alors faible, ceux-ci n'ont pas tendance à pénétrer profondément dans le métal, et donc évitent de former des "creux" dans la surface. Par contre ils écrasent progressivement les "pics' de rugosité, sans les rabattre latéralement comme indiqué précédemment, et de ce fait contribuent à former une surface dont la microrugosité est faible, et dont les éventuels défauts sont anolndris. L'effet de ce premier grenaillage à faible intensité est réparti plus uniformément sur la surface et la pellicule durcie en est d'autant plus d'épaisseur constante. Et le champ de contraintes de compression créé ultérieurement lors de la deuxième passe de grenalllage à forte intensité, en est d'autant plus uniforme sur toute la zone traitée. Les deux phases du procédé selon l'invention peuvent également s'exprimer de la manière suivante : lors de la première phase la limite élastique d'une mince pellicule superficielle augmente fortement alors que l'augmentation des contraintes de compression installées est relativement faible, alors que dans la deuxième phase, la limite élastique de la couche superficielle ne croît que peu, mais les contraintes de compression augmentent beaucoup et touchent une couche de plus forte épaisseur, nettement supérieure à celle de ladite pellicule. La figure 4 représente à échelle agrandie le champ de contrainte à proximité du patin dans un rail dressé par galet dont le patin a ensuite été traité conformément à l'invention. On peut y observer que la couche superficielle inférieure du patin est soumise à des contraintes de compression importantes (par exemple de l'ordre de 400 Mpa à la surface, au point repèré A sur la figure 4) qui décroissent lorsque la distance à cette surface augmente, la courbe représentative de ces contraintes rejoignant progressivement une courbe de contraintes dans toute la hauteur du rail, similaire à celle de la figure 2. L'épaisseur e de la couche soumise à ces contraintes de compression est dans cet exemple d'environ 1 mm. A titre d'exemple, sont données ci-après des valeurs des paramètres de grenaillage permettant de mettre en oeuvre l'invention ainsi que les résultats obtenus. Dans cet exemple, on a traité par- un procédé conforme à l'invention un rail UIC 60 non dressé,, nuance dure A, la zone traitée étant la face inférieure du patin. La première phase, de durcissement superficiel, a consisté en un grenaillage par de la grenaille Sus50 (grains de diamètre 1,7 mm) projetée à une vitesse de 50 m/s sur la surface inférieure du patin défilant à une vitesse de 1,6 m/min. La deuxième phase, de précontrainte, a été effectuée par grenaillage avec la même grenaille, projetée à une vitesse de 75 m/s, la surface défilant à la même vitesse de 1,6 m/min. Le champ des contraintes de compression obtenue, déterminé par rayons X, varie linéairement de 450 MPa en surface, à 100 MPa à 1,5 mn de profondeur. Le moment créé dans la hauteur du rail par les contraintes de compression obtenues exerce une action sur une hauteur de 60 mn -à partir de la surface inférieure du patin. Cette mesure a été réalisée par la méthode de relaxation des contraintes par découpes, avec mesure des déformation par jauges d'extensométrie. La limite d'endurance du patin obtenue, déterminée sur montage de flexion en trois points, est, pour une durée de vie de 2.106 cycles, de 450 MPa pour le rail traité dans les conditions définies ci-dessus, alors qu'elle n'atteint que 360 MPa pour un rail de même type brut de laminage, non traité. D'autres essais ont permis d'établir les courbes de la figure 5 représentant l'évolution du niveau de contraintes G en fonction du nombre de cycles Nc (correspondant à la durée de service) lors de l'essai de fatigue, pour un rail brut de laminage (courbe a) et pour un rail de même type conformément au procédé selon l'invention (courbe b?. est la limite d'endurar.ce en flexion pour le rail non traité, et Gb la limite d'endurance en flexion pour le rail traité. On observe qu'une augmentation de la limite d'endurance en flexion de 2G à 30 c , obtenue par le traitement selon l'invention, conduit à ur.e augmentation corrélative considérable de la durée de service. ceci il faut ajouter que le grenaillage permet de plus d'éliminer la nocivité de certains défauts ou imperfections de surface, ce qui apporte une amélioration supplémentaire à la résistance du rail traité. L'invention n'est pas limitée aux exemples précédemment décrits. En particulier, la première phase de durcissement superficiel pourrait être réalisée par une autre méthode que le grenaillage, par exemple par un traitement de surface thermique ou chimique, ces procédés ne permettant pas toutefois de supprimer, comme le fait le grenaillage de faible intensité envisagé de manière préférentielle, les défauts de rugosité de surface initiale. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement de la couche superficielle de rails ou d'appareils de voie, caractérisé en ce que, en vue d'augmenter leur résistance à la fatigue, on traite des zones déterminées de ceux-ci en effectuant un premier traitement de durcissement d'une pellicule superficielle de faible épaisseur desdites zones, puis on effectue un second traitement consistant en une passe de grenaillage pour créer ou augmenter les contraintes de compression dans la couche superficielle d'épalsseur supérieure à celle de ladite pellicule. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier traitement consite en une première passe de grenaillage de faible intensité menée de façon à n'agir que sur une faible profondeur, la seconde passe de grenaillage constituant le second traitement étant de forte intensité pour augmenter l'épaisseur de ladite couche superficielle. 3) Procédé-selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche superficielle traitée est d'environ 0,8 mm. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites zones traitées sont la face inférieure du patin du rail et/ou les congés de raccordement de l'âme au patin et de blâme au champignon d rail.