Brevet FR2763601A1 — publié le 19981127

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE ROUE DE CHEMIN DE FER EN ACIER ET ROUE DE CHEMIN DE FER OBTENUE L'invention concerne une roue de chemin de fer en acier ainsi que son procédé de fabrication. Une roue de chemin de fer comporte une jante dont la partie périphérique constitue la surface de roulement et un moyeu qui sert à la monter sur un essieu. En général, la jante et le moyeu sont reliés par un voile de raccordement qui peut avoir des formes diverses. Lorsqu'elle est montée sur un essieu, lui même monté sur un bogie, la roue est accompagnée d'un dispositif de freinage qui peut être à disques ou à sabots. Un dispositif de freinage à disque est constitué d'un ou plusieurs disques montés sur l'essieu et des mâchoires de freinage pouvant se serrer sur le ou les disques. Un tel dispositif a l'avantage de séparer les fonctions roulement et freinage, donc de permettre d'optimiser séparément les caractéristiques des disques et de la surface de roulement. Par contre, il a l'inconvénient d'être encombrant et, de ce fait, d'être mal adapté aux roues de faible diamètre, par exemple de diamètre inférieur à six cent cinquante millimètres. Il présente également l'inconvénient d'être trop coûteux pour être économiquement utilisable pour des wagons de transport de marchandise. Un dispositif de freinage par sabots comporte, en général, deux sabots et des moyens pour appliquer ces sabots contre la surface de roulement. Ce dispositif a l'avantage d'être moins encombrant que le précédent, mais il fait remplir les deux fonctions de roulement et de freinage par la même surface, ce qui présente des inconvénients. En particulier, il n'est pas possible d'optimiser les caractéristiques de la surface de roulement puisque les exigences de chacune des fonctions ne sont pas les mêmes. De plus, le freinage qui se fait par frottement sur la surface de roulement accélère l'usure de la roue. Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé de réaliser une roue frein qui combine les avantage de la roue freinée par disque et de la roue freinée par sabots. Cette roue comporte essentiellement une jante suffisamment massive pour que les flanc latéraux puissent servir de surface d'appui pour les sabots qui viennent enserrer la roue comme le font les mâchoires de freinage pour les dispositifs de freinage à disque. Avec ce type de roue, qui, en général, ne comporte pas de voile, le freinage par frottement sur les flancs latéraux engendre un échauffement. Cet échauffement, en se transmettant jusqu'au moyeu, peut détériorer le calage de la roue sur l'axe, voire provoquer un échauffement inadmissible de la graisse des boîtes à roulements. Aussi, afin d'éviter ces inconvénients, il a été proposé, dans la demande de brevet français FR 2 708 891, de réaliser une roue frein comportant un 2 2763601 étranglement entre la jante et le moyeu, formant une sorte de voile, destiné à assurer une fonction de barrière thermique entre la jante et le moyeu. Les roues de chemin de fer, qu'elles soient du type classique ou du type roue frein, sont réalisées en des aciers définis dans la norme UIC 812-3 (UIC: Union Internationale des Chemins de fer). Ce sont soit des aciers au carbone contenant de 0,48 % à 0,70 % de carbone, moins de 0,5 % de silicium, moins de 0,9 % de manganèse, moins de 0,3 % de chrome, moins de 0,3 % de cuivre, moins de 0,08 % de molybdène, moins de 0,3 % de nickel, et moins de 0,05 % de vanadium. Les roues sont soit normalisées pour obtenir une structure du type ferrite-perlite ayant une résistance à la traction comprise entre 600 et 940 MPa, soit trempées et revenues pour obtenir une structure également du type ferrite-perlite, mais ayant une résistance à la traction comprise entre 780 et 1050 Mpa. En général, la trempe se limite à la surface de roulement. Mais, pour certaines roues, la trempe est effectuée dans la masse. Il a également été proposé de réaliser des roues en acier du type 25CMSD4 trempé et revenu pour obtenir une résistance à la traction comprise entre 1100 et 1200 MPa. Cet acier contient entre 0,26 % et 0,29 % de carbone, environ 1 % de manganèse, environ 1 % de silicium, environ 1,1 % de chrome et entre 0,26 % et 0,29 % de molybdène. Avec cet acier, la structure est parfois bainitique dans les zones trempées. Quelle que soit la nuance d'acier utilisée, lorsque les roues sont trempées et revenues, le revenu est effectué à une température inférieure ou égale à 510 C, température maximale de revenu qu'il est possible de réaliser tout en satisfaisant les conditions imposée par la norme UIC 812-3, destinées à garantir une tenue en service satisfaisante. Toutes ces solutions métallurgiques présentent des inconvénients, soit parce que les surfaces de roulement résistent mal aux charges importantes, soit parce que les roues usent trop les rails, soit parce que le freinage engendre des fissurations des surfaces de frottement des sabots de frein, soit, enfin, parce que des fissures se forment progressivement dans la zone de raccordement de la jante et du voile. Ces détériorations de la roue, qui ne sont pas exclusives les unes des autres, et qui sont engendrées par l'exploitation, réduisent la durée de vie de la roue et doivent être combattues. Par ailleurs, les caractéristiques mécaniques des roues ainsi traitées sont détériorées par des freinages importants, en particulier par les freinages de maintien lors des passages de cols dans les régions montagneuses. Il en résulte des inconvénients pour certaines utilisations, comme le transport de marchandises dans certaines régions. 3 2763601 Le but de la présente invention est de proposer une solution métallurgique pour la fabrication d'une roue de chemin de fer, plus particulièrement une roue de chemin de fer freinée par sabot, et notamment une roue frein, qui améliore de façon significative la tenue en service de cette roue, en particulier en diminuant sa sensibilité aux freinages. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une roue de chemin de fer du type comprenant un moyeu, une jante comportant une surface de roulement et des flancs latéraux, et un voile de raccordement entre le moyeu et la jante, l'épaisseur du voile de raccordement étant substantiellement réduite par o0 rapport à l'épaisseur de la jante mesurée entre les flancs latéraux, cette roue de chemin de fer étant constituée d'un acier faiblement allié dont la teneur en carbone est inférieure à 0,35 %, la somme des teneurs en éléments d'alliage est inférieure à % et le point Ms supérieur à 270 C. Selon ce procédé, on effectue sur la roue une trempe puis un revenu à une température supérieure ou égale à 550 *C afin d'obtenir, au moins au voisinage de la surface de roulement et des flancs latéraux de la jante, les caractéristiques mécaniques suivantes: 860 Mpa 700 MPa Klc > 80 MPa.m112 De préférence, la trempe est limitée à la surface de roulement et aux flancs latéraux de la jante. La composition chimique de l'acier peut, par exemple, être telle que, en % en poids: 0,2% 0,9% P S D'une façon générale, il est souhaitable que, au moins au voisinage des surfaces extérieure de la jante, la structure de l'acier soit ferritoperlitique. 4 2763601 La roue de chemin de fer peut être, notamment, du type roue frein, c'est à dire, une roue dans laquelle les flancs latéraux de la jante réalisent directement des surfaces d'appui pour des garnitures de freinage. L'invention concerne, enfin, une roue de chemin de fer en acier dont la composition chimique comprend, en poids: 0,2% 0,9% P S le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, les caractéristiques mécaniques étant, au moins au voisinage de la surface de roulement et des flancs latéraux de la jante: 860 Mpa 700 MPa Klc > 80 MPa.ml2 Ces caractéristiques n'étant pas affectées par un freinage équivalent à un maintien à 540 C pendant 1 heure. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, en regard de l'unique figure annexées qui représente, en coupe, une demi section radiale d'une roue frein. La roue, de révolution autour de l'axe 1, comporte un moyeu 2 percé d'un trou axial 3 destiné à recevoir un axe non représenté, une jante 4 et un voile 5 de liaison entre la jante 4 et le moyeu 2. L'épaisseur du voile 5 est substantiellement plus faible que l'épaisseur de la jante 4, ces deux épaisseur étant mesurées parallèlement à l'axe 1. La jante 4 comporte d'une part une surface de roulement 6 bordée d'un côté par un boudin 7, et d'autre part deux flancs latéraux 8a et 8b qui comportent chacun une surface de frottement 9a et 9b sur lesquelles on peut appliquer deux patins de frein 10a et 10b. Les surfaces de frottement 9a et 9b sont séparées chacune de la partie 11 la plus périphérique de la jante 4, par deux gorges annulaires 12a et 12b. Lorsque la roue est exploitée, la surface de roulement 6 est en contact avec un rail non représenté, et supporte toute la charge. De ce fait, elle est soumise à de la fatigue de roulement. Le roulement peut se faire avec un certain glissement, c'est particulièrement le cas au cours du freinage, et ce glissement provoque de l'usure. La surface de roulement doit résister le mieux possible aux efforts résultant de ces phénomènes qui engendrent également des phénomènes similaires sur le rail, et le s rail doit y résister. Pour que la surface de roulement résiste bien à la fatigue de roulement, la limite d'élasticité de l'acier au voisinage de la surface de roulement, c'est à dire sur une certaine profondeur sous la surface de roulement, doit être supérieure à 700 MPa, et, de préférence, supérieure à 800 MPa, et pour qu'elle résiste bien à l'usure, la dureté ou la résistance à la traction de l'acier doit 0o supérieure à 860 MPa. Cependant, si la dureté de la surface de roulement est trop grande, le rail est usé très vite. Aussi, la résistance à la traction de l'acier doit rester inférieure à 980 MPa, et, de préférence, inférieure à 940 MPa. Lors du freinage par serrage des patins 10a et 10b contre les surfaces 9a et 9b des flancs latéraux 8a et 8b de la jante, le frottement engendre un échauffement local très important et des phénomènes complexes qui se traduisent par de l'usure, éventuellement la formation de petites zones trempées fragiles, et par l'initiation de fissures. Des phénomènes tout à fait comparables peuvent être engendrés sur la surface de roulement par le frottement de la roue sur le rail, par exemple en cas de blocage intempestif de la roue, ou, tout simplement, en cas de freinage dans le cas des roues freinées par sabots venant s'appliquer sur la surface de roulement. Pour éviter la détérioration trop rapide de ces surfaces 9a et 9b, et plus généralement des surfaces sur les quelles frottent les patins ou les sabots de freinage, I'acier doit avoir un point Ms de début de transformation martensitique supérieur à 270 C, et de préférence supérieur à 285 C. Pour éviter une propagation rapide des fissures, au voisinage de ces surfaces de frottement, I'acier doit avoir une ténacité suffisante pour que le Klc soit supérieur à 70 MPa. m"2, et, de préférence, supérieur à 80 Mpa.ml2. Plus exactement, lorsqu'on effectue une pluralité d'essais pour mesurer le Klc, toutes les valeurs individuelles doivent être supérieures à 70 Mpa.m12, et la moyenne doit être supérieure à 80 Mpa.m12. Les inventeurs ont constaté également que, lors du freinage, la température de la jante pouvait dépasser 500 C, et que l'échauffement correspondant était équivalent à un maintien à 540 C pendant 1 heure. Aussi, la structure de l'acier dans cette partie de la roue doit être telle que les caractéristiques mécaniques ne soient pas affectées par un tel échauffement. Enfin, la zone de raccordement entre la jante et le voile est soumis à des efforts qui peuvent engendrer des fissures. Pour limiter les risques de fissuration dans ces zones, il est très souhaitable que ces zones comportent des contraintes résiduelles de compression. Pour obtenir ces caractéristiques, on peut utiliser un acier faiblement allié dont la composition chimique comporte, en poids, au plus 5 % d'éléments d'alliage, et moins de 0,35 % de carbone. La teneur en carbone est limitée à 0,35 % afin d'éviter la formation de fissures en surface lors des freinages. La teneur en carbone et les teneurs en éléments d'alliage doivent être choisis pour permettre d'obtenir par trempe, une structure ferrito-perlitique qui, après un revenu à une température supérieure à 550 C, permet d'obtenir les caractéristiques définies ci-dessus. De préférence, la trempabilité de l'acier ne doit pas être trop importante pour permettre d'obtenir des contraintes résiduelles de compression dans la zone de raccordement to entre la jante et le voile. En effet, ces contraintes résiduelles ne peuvent être obtenues que par une trempe partielle de la jante n'affectant pas le voile. De préférence, la composition chimique de l'acier comprend, en poids: - de 0,2 % à 0,24 %, et, de préférence, de 0,205 % à 0,235 % de carbone afin d'obtenir une limite d'élasticité suffisante, une résistance pas trop importante et un point Ms suffisamment haut; - de 0,9 % à 1,1 %, et, de préférence, de 0,95 % à 1,03 % de manganèse pour obtenir une trempabilité suffisante sans qu'elle soit trop importante, - de 0,9 % à 1,1 %, et, de préférence, de 0,95 % à 1,03 % de silicium, car cet élément améliore la résistance à l'usure, cependant, en trop grande quantité, il fragilise l'acier; de 1 % à 1,2 %, et, de préférence, de 1,05 % à 1,13 % de chrome pour améliorer la trempabilité et obtenir un rapport Re/Rm satisfaisant; de 0,2 % à 0,25 %, et, de préférence, de 0, 22 % à 0,25 % de molybdène, pour permettre d'effectuer un revenu à une température supérieure à 550 "C sans que la trempabilité soit trop augmentée, en particulier pour éviter la formation de bainite dans les zones trempées; le reste étant du fer et des impuretés ou résiduels résultant de l'élaboration. Les résiduels sont, notamment, le nickel et le cuivre dont les teneurs doivent, de préférence, rester inférieure à 0,3 %, et mieux encore, inférieure à 0,2 %. Les impuretés sont, notamment, I'étain dont la teneur doit, de préférence, rester inférieure à 0,04 %, et mieux encore, inférieure à 0,025 %, le phosphore dont la teneur doit, de préférence, rester inférieure à 0,035 %, et mieux encore, inférieure à 0,02 %, et le soufre dont la teneur doit, de préférence, rester inférieure à 0,035 %, et mieux encore, inférieure à 0,02 %. La roue est fabriquée par forgeage à chaud d'un lopin d'acier conformément à lI'art antérieur, puis, elle est soumise à un traitement thermique de trempe et revenu. Le traitement de trempe est effectué après chauffage de la roue au dessus du point AC3 de l'acier, par refroidissement rapide, par exemple, à l'eau. Le refroidissement à l'eau peut concerner l'ensemble de la roue, mais il est préférable de ne refroidir à l'eau que les parties périphériques de la jante, c'est à dire, la surface de roulement et les flancs latéraux. En effet, c'est en effectuant une trempe partielle qu'on peut engendrer des contraintes résiduelles de compression dans la zone de raccordement de la jante et du voile. Après la trempe partielle, on laisse la roue finir de refroidir à l'air. La trempe partielle peut, avantageusement, être effectuée sur la roue disposée verticalement et tournant sur son axe, I'arrosage étant concentré sur la partie de la jante se trouvant en bas. Bien qu'une structure ferrito-perlitique soit préférable, la trempe partielle peut conduire à obtenir une structure bainitique au voisinage de la surface de roulement et des flancs latéraux, o0 dans une zone correspondant, par exemple, à la partie hachurée de la figure 1. La présence de bainite peut être évitée en ajustant convenablement la composition chimique, et, notamment, en limitant la teneur en molybdène à 0,25% au maximum. Après la trempe, on effectue un revenu à une température supérieure à 550 C pendant un temps compris, de préférence, entre 0,5 et 3 heures, mais, de préférence la température de revenu doit rester inférieure à 600 C. Un revenu à une température aussi élevée permet d'obtenir des propriétés mécaniques peu sensibles aux échauffements engendrés par le freinage. A titre de premier exemple, on a fabriqué une roue frein A du type de celle qui est représentée à la figure 1 et de 680 mm de diamètre, destinée à équiper des wagons dont la charge à l'essieu peut être de 14 tonnes/essieu, pouvant rouler à km/h. Cette roue, conforme à l'invention, a été réalisée en acier dont la composition chimique était: C Mn Si Ni Cr Mo Cu Sn P S 0,21 1,01 0,98 0,2 1,1 0,24 0,15 0,015 0,015 0, 018 et le point Ms de l'acier était 350 C. Après forgeage, la roue a été austénitisée par chauffage à 880 C pendant 1,5 heures, puis trempée partiellement à l'eau en position horizontale, ce qui conduit à obtenir une structure ferrito-perlitique homogène dans toute la jante. La roue a alors été soumise à un revenu consistant en un maintien à 570 C pendant 1 heure, ce qui a permis d'obtenir les caractéristiques mécaniques suivantes: - pour les zones trempées de la jante: Rm = 974. MPa Rpo,2 = 775 MPa Klc= 85 MPa.ml/2 - pour le reste de la roue (la toile, notamment): Rm = 843 MPa Rpo,2 = 440 MPa Des mesures de contraintes résiduelles dans la zone de raccordement ont montré ces contraintes étaient de compression et pouvaient atteindre 250 Mpa. Les caractéristiques mécaniques de cette roue, en tous points conformes aux spécifications requises pour ce type de roue, n'étaient pas affectées par un cycle thermique correspondant à un maintien à 540 C pendant 1 heure, équivalent aux échauffements engendrés par le freinage dans des conditions d'exploitation io habituelles. On a constaté que les roues ainsi traitées avaient une durée de vie d'au moins trois fois la durée de vies de roues selon l'art antérieur. Lors d'essais de freinage au banc d'essai, on n'a pas constaté la présence de criques thermiques après 105 cycles de freinage. A titre de comparaison, on a fabriqué une roue B du même type que la précédente, destinée à équiper des wagons dont la charge à l'essieu peut être de 14 tonnes, respectant les conditions imposées par la norme UIC 812.3 (trempe dans la masse). Cette roue, selon l'art antérieur, a été réalisée en acier dont la composition chimique était: C Mn Si Ni Cr Mo Cu Sn P S 0,507 0,680 0,320 0,100 0,230 0,060 0,120 0,015 0,013 0,024 et le point Ms de l'acier était 287 C. Après forgeage, la roue a été austénitisée par chauffage à 880 C pendant 1,5 heures, puis trempée dans la masse, ce qui a permis d'obtenir une structure ferrito-perlitique dans toute la masse de la roue. La roue a alors été soumise à un revenu consistant en un maintien à 500 C pendant 2 heure, ce qui a permis d'obtenir les caractéristiques mécaniques suivantes: - pour les zones trempées de la jante: Rm = 894 MPa Rpo,2 = 558 MPa Klc = 82 MPa.ml2 - pour le reste de la roue: Rm = 840 MPa Rpo,2 = 498 MPa Des mesures de contraintes résiduelles dans la zone de raccordement ont montré ces contraintes étaient de compression et pouvaient atteindre 200 MPa. Cependant, après freinage, les surfaces sur les quelles les patins de frein frottaient, comportaient de nombreuses fissures. A titre d'exemple, des essais de freinage au banc d'essai ont fait apparaître 90 criques thermiques après 105 cycles de freinage. De plus, les caractéristiques mécaniques étaient sensiblement détériorées. En particulier, le Klc était devenu inférieur à 70 MPa.m112 et la résistance à la traction Rm était devenue inférieure à 860 MPa. A titre de comparaison, également, on a fabriqué une roue C de 840 mm de diamètre destinée à équiper des wagons dont la charge à l'essieu peut être de 16 tonnes par essieu. Cette roue, également selon l'art antérieur, a été réalisée en acier dont la composition chimique était: C Mn Si Ni i Cr I Mo I Cu I Sn P | S C 0,26 1 1,10 1,120 0,130 1,04 0,27 0,12 0,02 0,0140,02 Le point Ms était de 338 C et la structure était bainitique dans la jante. Cette roue a été trempée puis revenue à la températures de 500 C pendant 1 heure, et les caractéristiques mécaniques au voisinage de la surface de roulement et des surfaces de frottement des moyens de freinage étaient: Rm Rpo,2 K1 c (MPa) (MPa) (MPa.m1/2) D 1230 I 1035 | 75 Cette roue a fait l'objet d'essais d'endurance qui ont montré l'apparition de 10 criques thermiques après 105 cycles de freinage au banc d'essai. De plus, les caractéristiques mécaniques étaient détériorées par le freinage. Par ailleurs, la dureté de la jante étant trop importante, on a constaté une usure très rapide des rails. Enfin, la ténacité de la jante était insuffisante. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une roue de chemin de fer du type comprenant un moyeu, une jante comportant une surface de roulement et des flancs latéraux, et un voile de raccordement entre le moyeu et la jante, I'épaisseur du voile de raccordement étant substantiellement réduite par rapport à l'épaisseur de la jante mesurée entre les flancs latéraux, constituée d'un acier faiblement allié dont la teneur en carbone est inférieure à 0,35 %, la somme des teneurs en éléments d'alliage est inférieure à 5 % et le point Ms supérieur à 270 C, caractérisé en ce io que on trempe au moins partiellement la roue et on effectue un revenu à une température supérieure à 550 C, et en ce que, après la trempe et le revenu, au moins au voisinage des surfaces extérieures de la jante, les caractéristiques mécaniques de l'acier sont telles que: 860 Mpa 700 MPa Klc > 80 MPa.m1l2 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la trempe est limitée à la surface de roulement et aux flancs latéraux de la jante. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la trempe est effectuée sur la roue disposée verticalement et tournant autour d'un axe horizontal. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la composition chimique de l'acier comporte, en poids: 0,2% 0,9% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que: Ni P S 6.- Procédé selon la revendication 4 ou la revendication 5 caractérisé en ce que, au moins au voisinage de la surface de roulement et des faces latérales de la jante, la structure de l'acier est ferrito-perlitique. ll 7 - Roue de chemin de fer du type comprenant un moyeu, une jante comportant une surface de roulement et des flancs latéraux, et un voile de raccordement entre le moyeu et la jante, l'épaisseur du voile de raccordement étant substantiellement réduite par rapport à l'épaisseur de la jante mesurée entre les flancs latéraux, constituée d'un acier faiblement allié dont la somme des teneurs en éléments d'alliage est inférieure à 5 % et le point Ms supérieur à 270 C, caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier comprend, en poids: 0,2% 0,9% 700 MPa Klc > 80 MPa.ml/2 ces caractéristiques mécaniques n'étant pas affectées par un freinage équivalent à un maintien à 540 C pendant 1 heure. 8 - Roue de chemin de fer selon la revendication 7 caractérisée en ce que la composition chimique de l'acier est telle que: Ni P S 9 - Roue de chemin de fer selon la revendication 7 ou la revendication 8 caractérisée en ce que au moins au voisinage des surfaces extérieure de la jante, la structure de l'acier est ferrito-perlitique. - Roue de chemin de fer selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisée en ce que elle est du type roue frein dont les flancs latéraux de la jante réalisent directement des surfaces d'appui pour des garnitures de freinage.