Brevet FR2753404A1 — publié le 19980320

"Procédé de soudage par coulée interstitielle alumino-thermique de rails avec alliage d'acier moulé dans le domaine du champignon de rail" L'invention se rapporte à un procédé de soudage par coulée interstitielle aluminothermique de rails avec alliage d'acier moulé approprié dans le domaine du champignon de rail. Le but du procédé est d'ajuster à dessein un profil de propriétés souhaité dans la soudure conformément aux exigences dans le rail. Le procédé aluminothermique de soudage (procédé THERMIT) utilise seul parmi les procédés de soudage par fusion connus une réaction chimique en vue de la production du matériau d'addition fluide chaud. On tire profit en l'occurrence de la grande affinité de l'aluminium pour l'oxygène, afin de réduire les oxydes de métaux lourds, de préférence l'oxyde de fer. Le processus se déroulant de manière fortement exothermique peut être décrit comme suit oxyde de métal lourd + aluminium -> métal lourd + oxyde d'aluminium + chaleur ou pour la réaction du fer Fe203 + 2 AI -> 2 Fe + A1203 + 849 kJ. La réaction aluminothermique se déroule après allumage ponctuel avec une tige d'allumage dans un creuset en l'espace de quelques secondes avec un fort dégagement de chaleur. Les produits de réaction chauds ayant une température d'environ 2500 C se séparent ensuite, la scorie de poids spécifique plus léger (A[203) surnageant sur le fer. On mélange aux constituants de base de la portion THERMIT - oxyde de fer et aluminium de granulométrie faible - des particules d'acier granuleuses en vue du retardement de la réaction et, en fonction du matériau de base à souder, des agents formateurs d'acier comme C, Mn, Cr, V, Mo. La qualité définie dans l'acier liquide chaud THERMIT fondu dans le mélange de réaction est particulièrement adaptée à des applications de technique de soudure. Le procédé de soudage peut se caractériser par les étapes de travail suivantes: * alignement des pièces placées avec un interstice dépendant de la section transversale de soudage et du procédé; * mise en forme du point de soudage à l'aide d'un moule réfractaire; * chauffage préalable des extrémités de pièce par l'intermédiaire d'un brûleur spécial fonctionnant à l'aide de gaz/air, d'essence/air, d'essence/oxygène, d'acétylène/oxygène ou de préférence de mélanges propane/oxygène. * coulée de l'acier liquide chaud dans la forme et soudage des extrémités de pièces par coulée entre et autour de l'interstice. Conformément à ce procédé, on peut souder des pièces de tout genre ayant des sections transversales quelconques au cours de la construction ou de la réparation. Le procédé THERMIT a trouvé son utilisation la plus répandue dans le soudage de rails en raison de son exécution simple et indépendante de sources d'énergie externes. L'acier produit de manière aluminothermique servant de produit de soudure devrait en l'occurrence correspondre dans ses propriétés de résistance le mieux possible à l'acier des rails. On tient compte de cette exigence grâce aux mélanges aluminothermiques connus - aussi nommés portions de soudage - en ce que l'on ajoute au mélange de base, constitué d'aluminium et d'oxydes de fer, des éléments d'alliage, comme par exemple le carbone, le manganèse, le chrome, le silicium, le vanadium et le titane. On mélange en outre au mélange aluminothermique, à des fins de retardement et de refroidissement, du fer, ou de la ferraille, le rendement en acier étant simultanément augmenté. C'est ainsi que l'on utilise, dans divers pays, des qualités de rail tout spécialement alliées, o existe l'intérêt d'enrichir à dessein ces éléments d'alliage, dans des concentrations déterminées, dans le champignon de rail conformément à la composition des rails, sans que le patin du rail ne soit lui- même allié. Dans les dix dernières années, on a cependant utilisé, de manière accrue, dans le trafic ferroviaire, des rails durcis au champignon. Cette tendance est motivée en ce que, d'une part, les sollicitations des rails vont en croissant, ce qui conduit, pour des rails classiques, à une usure plus forte, et en ce que, d'autre part, sont présents, de manière accrue, des impératifs économiques, de sorte que l'on vise à parvenir à des cycles d'échange de rails plus longs. Constituent par exemple une sollicitation accrue des rails des rayons particulièrement petits ( pour le rail, mais aussi pour la jonction des rails. L'utilisation renforcée de rails durcis au champignon rend bien entendu aussi indispensable une adaptation des techniques de jonction nécessaires. Il serait en l'occurrence particulièrement intéressant pour le fonctionnement des voies de parvenir à l'obtention d'une dureté plus élevée dans le domaine du champignon et, en relation avec ceci, d'une ductilité plus élevée dans le patin du rail. On utilise de surcroît également souvent des additifs d'alliage rendant le grain plus fin, cas dans lequel un enrichissement contrôlé dans le champignon est souhaité. On a modifié par conséquent jusqu'à présent, pour des qualités nouvellement développées de rails, les portions de soudage Thermit, d'une manière telle que la jonction de rails toute entière ait été adaptée à la qualité de rails modifiée, mais tout en présentant en soi un profil de propriétés uniforme. Ceci veut dire que l'on mélange à la portion de soudage, dans la technique de soudage aluminothermique classique, des additifs durcisseurs, afin d'induire la dureté nécessaire dans le domaine du champignon, mais que l'on obtient simultanément la même dureté dans le profil de rails tout entier, par conséquent également dans le domaine du patin du rail, o l'on souhaiterait plutôt une certaine ductilité. Dans le document CH-PS 658 817, on décrit un procédé de soudure composite aluminothermique, lors duquel deux alliages d'acier moulé obtenus à partir de deux masses de soudage de compositions différentes sont constitués de telle sorte qu'ils fournissent, à partir de deux chambres de creuset, à chaque fois un acier dur et résistant à l'usure pour les champignons de rails ainsi qu'un acier tenace, ductile, s'écoulant tout d'abord dans la forme pour le soudage des âmes et des patins de rails. Ceci veut dire qu'il s'agit, lors de ce procédé, d'un processus à deux étapes. Cette manière de procéder est très lente et, pour l'utilisation pratique dans la voie, si compliquée qu'elle n'a pas pu s'imposer vis-à-vis de la soudure de jonction Thermit classique, connue de par le monde. Il se forme de surcroît entre les deux aciers Thermit des surfaces limitrophes supplémentaires, des défauts non souhaités pouvant faire leur apparition dans la soudure. On sait, à partir du brevet DE-PS 898 989, que le fer formé lors de la réaction aluminothermique peut être soumis à alliage avec des métaux ou des métalloïdes d'amélioration par trempe et revenu, qui sont placés dans un évidement dans la partie supérieure ou au fond de la forme de coulée entourant le matériau à souder. L'objet de ce brevet est de mettre à disposition un acier Thermit le plus homogène possible et d'éviter dans la mesure du possible des pertes possibles d'additifs d'alliage nécessaires par l'intermédiaire de la scorie. On attire cependant aussi l'attention sur le fait que l'on souhaite un acier mélangé de façon intime. Il est de surcroît coûteux du point de vue de la technique de production et, en outre, dans le cas de l'alliage du champignon de rails, difficile de placer ces métaux ou métalloïdes dans la forme de coulée, parce que la distance entre la forme de coulée et la bande de roulement à allier du O10 champignon de rail est grande. Cette distance doit être surmontée uniquement par la diffusion du métal/du métalloïde. Il existait par conséquent un besoin d'un procédé de soudage le plus simple possible, qui se compose seulement d'une étape de procédé, ou d'une étape de réaction, qui met à disposition les métaux ou les métalloïdes à allier d'une manière également simple, c'est-à-dire non seulement dans la fabrication des produits de consommation nécessaires, mais aussi dans l'exécution de la jonction de soudage Thermit, mais aussi qui le fait d'une façon sûre et qui permet d'enrichir ces additifs d'alliage à dessein dans le champignon de rail. Le but du procédé de soudage à développer est de réaliser une jonction qui concorde avec le profil de propriétés des rails à souder et parvient en particulier à un produit de soudage dur et à granulométrie la plus fine possible dans le champignon de rail, et qui garantisse simultanément un patin peu susceptible à la rupture et aussi ductile que possible. Grâce à une jonction de soudage de ce genre, on pourra, en raison de la dureté élevée et de la finesse de grain d'une structure cristalline à capacité de support plus élevée, obtenir la résistance à l'usure et les avantages qui y sont associés et améliorer la qualité de la soudure. On peut ajuster, en fonction de l'élément d'alliage, ou de la combinaison d'éléments d'alliage et de la quantité à allier, un profil de propriétés différent - composition chimique de l'acier, propriétés mécaniques, structure, etc. Ces différentes propriétés dépendent en partie les unes des autres, selon la nature et la quantité de l'addition. Il existait en particulier un besoin de méthodes les plus simples, sûres et reproductibles possibles, lors du soudage par coulée interstitielle aluminothermique de rails, qui permettent de mettre en contact l'acier produit de manière aluminothermique ayant à dessein des additifs d'acier Thermit à allier avec la partie de l'acier sortant par écoulement du creuset de réaction, qui forme la soudure dans le domaine du champignon de rail. Il faut en outre absolument éviter un mélange intime de l'acier Thermit au sein de la forme de coulée. Dans le cas contraire, il ne sera pas possible de parvenir à un enrichissement des additifs d'alliages dans le champignon. L'objet de cette présente invention est un procédé, qui est caractérisé en ce que l'on procède dans la forme de coulée à l'alliage additif des additifs d'alliage après achèvement de la réaction aluminothermique et séparation de l'acier de la scorie, par l'intermédiaire de la traverse de verrouillage, et en ce que le trop-plein dans la forme de coulée est fermé. La figure 1 représente schématiquement une coulée avec déersoir et tropplein, La figure 2 représente schématiqement une coulée tombante, La figure 3 représente schématiquement une coulée montante, La figure 4 est une vue en coupe d'un rail usuel, Les figures 5, 6 et 7 montrent trois exemples de courbes de variations de la dureté en fonction de la distance de la bande de roulement, et, La figure 7a est un diagramme montrant un exemple de variation de la concentration en vanadium en fonction de la distance de la bande de roulement. Le trop-plein à fermer dans la forme de coulée est désigné par 10 dans la figure 1. Lors du procédé de coulée à coulée tombante - figure 2 - I'acier 5 s'écoule, après réaction du mélange aluminothermique dans le creuset de réaction 1, dans le milieu de la forme de coulée 2 et y monte, respectivement monte vers le haut dans les évents 3, le trop-plein étant fermé. L'acier qui sort par écoulement en dernier lieu du creuset de réaction forme ainsi le champignon de rail, et est, selon l'invention, à allier. Ceci veut dire qu'il faut éviter l'alliage de l'acier qui sort tout d'abord par écoulement avec les composants d'alliage. On y parvient en ce que l'on dispose les constituants d'alliage 9 dans la forme de coulée à la hauteur du champignon de rail, de telle manière que l'acier qui entre tout d'abord par écoulement soit forcé de passer à côté de la portion d'alliage et que l'acier se trouvant alors en haut n'entre en contact avec les constituants d'alliage qu'en fonction de l'état de remplissage croissant dans la forme. Ceci est possible par exemple par la disposition des constituants d'alliage sous la traverse de verrouillage 4, qui est présente habituellement dans les formes de coulée utilisées au cours du soudage par coulée interstitielle aluminothermique. Cette traverse de verrouillage est une pièce de forme introduite dans le domaine supérieur de la forme de coulée, enjambant de manière recouvrante le champignon de rail, sur laquelle on laisse se heurter l'acier entrant par écoulement en vue de capter son énergie cinétique et qui conduit ce dernier dans le domaine du rail de la forme de coulée. Les constituants d'alliage peuvent être intégrés en l'occurrence de manière appropriée dans un espace creux intégré dans le coté inférieur de la traverse de verrouillage ou en tant que pièce de forme ou dans un récipient, par exemple en tant que capsule 6, positionnés à la distance nécessaire, pour effectuer la mise en contact exactement à la hauteur du champignon de rail. Il existe aussi la possibilité de laisser le trop-plein ouvert. Mais le trop- plein est alors à disposer de telle sorte que l'acier Thermit qui sort tout d'abord par écoulement ne puisse pas entrer en contact trop tôt avec les additifs d'alliage et avec l'acier sortant par écoulement en dernier lieu, c'est- à-dire avant d'atteindre le champignon ou au niveau du champignon. Ceci est réalisé en disposant le trop-plein au-dessus des additifs d'alliage ou en dessous du champignon de rail. Un soudage aluminothermique peut aussi être effectué, comme représenté en figure 3, dans le procédé à coulée montante. On laisse en lI'occurrence entrer par écoulement, dans la forme de coulée 2, I'acier aluminothermique produit de manière aluminothermique, non pas dans le domaine des rails de la forme, mais à travers les évents 3. L'acier entrant par écoulement monte en l'occurrence dans le domaine des rails de la forme. L'acier entrant par écoulement dans la forme forme de ce fait par conséquent le champignon de rail, de sorte que, pour ce procédé de coulée, il faut allier de manière correspondante l'acier entrant tout d'abord par écoulement. Ceci peut se faire par exemple en mettant en place les constituants d'alliage non seulement sur le côté supérieur, mais aussi sur le côté inférieur de la traverse de verrouillage 4 utilisée. La mise en place sur le côté inférieur correspond à la mise en contact des constituants d'alliage pour la coulée tombante, c'est-à-dire l'acier qui monte est mis en contact dans le domaine du champignon de rail avec des éléments d'alliage correspondants sur le côté inférieur de la traverse de verrouillage et est allié après-coup. Il est aussi possible de les incorporer sous forme massive dans le coté inférieur de la traverse de verrouillage ou de les mettre en place en tant que granulé dans une capsule ou dans un balancier sous la traverse de verrouillage. Ici aussi le trop-plein dans la forme de coulée devrait de préférence être fermé. Dans le cas du trop-plein ouvert, celui-ci devrait être disposé sous le champignon de rail, ou, dans le cas contraire, au- dessus des additifs d'alliage. En cas de disposition des additifs d'alliage sur le côté supérieur, l'acier sortant tout d'abord par écoulement absorbe les constituants d'alliage lors du débordement de la traverse de verrouillage et forme en tant que première partie dans le domaine des rails en montant le champignon de rails ainsi durci. Dans ce cas, le trop-plein doit être fermé ou, dans le cas contraire, être disposé au-dessus du champignon de rail. Les constituants d'alliage peuvent être appliqués dans ce but des manières les plus diverses. C'est ainsi qu'ils peuvent être appliqués par exemple simplement en tant que poudre ou granulat sur le côté supérieur de la traverse de verrouillage. Il est également possible de former la traverse de verrouillage en construction composite obtenue à partir d'une couche en céramique, liée à une couche en constituants d'alliage. Sont par conséquent objets de l'invention toutes les méthodes d'alliage après-coup d'un fer ou d'un acier Thermit produit de manière aluminothermique par l'intermédiaire d'une traverse de verrouillage dans la forme de coulée. En tant qu'additifs d'alliage, qui peuvent être introduits après-coup, sont à préférer, d'une part, des métaux ou des alliages durcisseurs et/ou affinant la granulométrie. En font partie des alliages du fer des éléments V, Ti, Nb, Cr, Mn, Si, etc, les terres rares ou leurs oxydes et carbures ainsi que le carbone sous forme liée ou élémentaire. Selon la nature et la quantité des additifs d'alliage mis à disposition, il est ainsi possible, grâce au procédé selon l'invention, de réaliser les gradients de concentration souhaités des éléments introduits de manière séparée dans la soudure, et d'adapter à dessein les sollicitations dans le rail. Les composants introduits pour alliage après-coup peuvent être utilisés sous forme élémentaire, ou sous forme métallique, ou en tant que mélange réactionnel métallothermique. Cette manière de procéder est, en fonction du choix de la traverse de verrouillage, par conséquent indépendante de l'état chimique des composants à allier. L'utilisation des éléments d'alliage introduits après-coup se fait de préférence sous la forme de poudres ou de granulats. Dans ce cas, on introduit les additifs dans un récipient, par exemple dans une capsule de fer ou dans un évidement dans la traverse de verrouillage. On utilise habituellement, au cours du procédé selon l'invention, en tant que mélange de sortie, un mélange aluminothermique se composant pour l'essentiel d'aluminium, d'oxyde de fer et d'agents de retardement, avec lesquels des teneurs en carbone de 0,1 à 1,0 % en poids et de manganèse de 0,2 à 2,0 % en poids peuvent être atteintes dans la soudure. La mise à disposition des constituants d'alliage carbone et manganèse doit se faire de manière impérative par l'intermédiaire du mélange aluminothermique. Ceci est également possible par l'intermédiaire de la méthode d'alliage selon l'invention, qui permet l'introduction par alliage après-coup de chaque constituant d'alliage au cours du procédé de coulée tant en montée qu'en descente. Dans ce cas, on produit simplement l'acier de manière aluminothermique. En cas de choix approprié de la méthode d'alliage, des éléments d'alliage et de leur concentration, on peut adapter le plus près possible la soudure à dessein au profil de propriétés du rail, comme par exemple la composition chimique ou la dureté. On peut par exemple produire, de manière très simple, un gradient de dureté avec un champignon de rail relativement dur et un patin de rail mou. Comme la dureté, la flexion et la force de résistance aux fissures dépendent du matériau, de sorte que l'on obtient, pour un patin de rail ductile, une amélioration de ces caractéristiques. Le fléchissement, ce que l'on appelle de manière plus précise la flexion à la rupture, est déterminée par un essai de flexion. Outre la flexion, on détermine une charge de rupture, c'est-à-dire la force maximale à appliquer pour la rupture du rail soudé, qui est aussi, en cas de géométrie inchangée, une mesure de la résistance à la flexion. Par opposition à la flexion, la charge de rupture ne dépend que de la géométrie du rail, de sorte qu'une influence de cette grandeur caractéristique mécanique par le biais de la technique d'alliage n'est pas possible. Une caractéristique particulière pour la sécurité de fonctionnement de la voie est la force de résistance aux fissures, c'est-à-dire la force que peut opposer un matériau à la formation et à l'élargissement d'une fissure. La force de résistance aux fissures augmente comme on le sait avec une ténacité croissante du matériau. C'est ainsi qu'est présente lors du procédé selon l'invention, en raison du patin de rail plus ductile, une force de résistance aux fissures améliorée. Lors de l'alliage de l'acier formant le champignon de rail, qui présente lors de l'introduction par écoulement dans la forme une température d'environ 21 00 C, on obtient un enrichissement intentionnel en éléments d'alliage appropriés, à introduire après-coup dans le domaine du champignon de rail de la jonction de soudage. On peut influencer de cette manière à dessein le profil de propriétés. En font partie la dureté, la flexion, la force de résistance aux fissures et la résistance à l'usure. Les gradients de dureté que l'on peut obtenir selon l'invention dans le profil de rails sont décrit de plus près dans la suite La figure 4 montre tout d'abord les points d'analyse et de mesure de dureté en fonction de la distance par rapport à la bande de roulement (en mm) dans l'exemple du profil de rail S 49 ayant un poids au mètre de 49 kg/m. La figure 5 représente la variation de la dureté d'un rail durci au champignon (S 49 HH), exprimée en unités HB (dureté Brinell) en kp/mm2 à la distance correspondante de la bande de roulement, comme indiqué en figure 4. On reconnait nettement l'augmentation de la dureté dans le domaine du champignon de rail par rapport au profil restant. La figure 6 montre la variation de la dureté d'une soudure aluminothermique aujourd'hui usuelle pour les rails durcis au champignon. On obtient en l'occurrence des valeurs de dureté pour l'essentiel qui correspondent à la dureté dans le champignon de rail; cette dureté est cependant présente de manière uniforme dans le profil de rails tout entier avec les inconvénients illustrés ci-dessus. Dans la figure 7, est représenté le profil de dureté d'une soudure avec alliage selon l'invention dans le domaine du champignon de rail. Elle a été alliée à l'aide de 10 g de FeV. Le soudage se fait avec une coulée montante. Les constituants d'alliage sont positionnés dans une capsule en dessous de la traverse de verrouillage. Nettement reconnaissable est la chute de dureté à partir de la dureté souhaitée élevée dans le domaine du champignon jusqu'à une ductilité plus élevée dans le domaine du patin. La figure 7a présente les teneurs en vanadium correspondantes dans les points de mesure. On obtient en l'occurrence, pour une dureté Brinell de 268 kp/mm2, une flexion de 34 mm. REVENDICA TIONS 1. Procédé de soudage par coulée interstitielle aluminothermique de rails, I'acier produit de manière aluminothermique étant coulé dans une forme de coulée réfractaire entourant les extrémités de rails à joindre et des additifs d'alliage étant mis en contact avec la partie de l'acier qui sort par écoulement du creuset de réaction, qui forme la soudure dans le domaine du champignon de rails, caractérisé en ce que l'on procède dans la forme de coulée à l'alliage additif des additifs d'alliage après achèvement de la réaction aluminothermique et séparation de l'acier de la scorie, par l'intermédiaire de la traverse de verrouillage, et en ce que le trop-plein dans la forme de coulée est fermé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose les additifs d'alliage dans un récipient en dessous de la traverse de verrouillage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose les additifs d'alliage en haut sur la traverse de verrouillage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose les additifs d'alliage dans un évidement en dessous de la traverse de verrouillage. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise les additifs d'alliages sous la forme d'une poudre ou d'un granulat. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que I'on suspend les additifs d'alliage en dessous de la traverse de verrouillage. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on utilise les additifs d'alliage sous forme solide compacte.