Brevet FR2769928A1 — publié le 19990423

RAIL DE CHEMIN DE FER A CHAMPIGNON RENFORCE La présente invention, relative au domaine du transport, concerne un rail de chemin de fer, plus particulièrement un rail à gorge. Les rails à gorge du type considéré sont des rails destinés à être enterrés et dont l'utilisation se fait essentiellement en milieu urbain pour assurer le support et le guidage de véhicules ferroviaires citadins, comme le tramway ou des métropolitains légers. On rappelle que le champignon d'un rail à gorge du type de l'invention comprend une table de roulement destinée à supporter le véhicule sur roues, et qui jouxte une gorge de guidage accueillant le boudin de la roue, cette gorge étant bordée par une bavette qui sert de glissière latérale en courbes et qui empêche l'enfouissage de la gorge par le sol. On sait que l'utilisation en milieu urbain de rails enterrés pose de façon particulièrement accrue deux problèmes, qui existent de manière générale en transport ferroviaire: le problème du bruit et celui de l'usure du rail, lequel d'ailleurs peut être lui-même la cause de nuisances sonores. Le problème du bruit touche des aspects liés au confort des riverains et pour lequel des réponses partielles ont déjà été tentées, ou sont à approfondir, notamment en termes de revêtement antibruit ou anti-crisssement des surfaces en contact mutuel lors du roulage. Celui de l'usure du rail est bien plus technique, car il conduit irrémédiablement à la mise hors service de la ligne de transport si des réponses appropriées ne sont pas apportées. Comme on a pu le montrer, on peut distinguer deux types d'usure: "l'usure aux courbes" provoquée sur les bords de gorge par la poussée latérale des boudins de roue dans les courbes serrées et pouvant, en conditions extrêmes, causer des déraillements, et l'usure dite " striée", dont les mécanismes exacts de formation ne sont encore que partiellement élucidés. Le phénomène d'usure par stries, qui caractérise surtout les trajets à arrêtsdémarrages fréquents propres aux transports urbains, affecte principalement la table de roulement au contact des bandages de roues. Elle peut être la cause de dégâts aux châssis des véhicules, de même qu'à l'origine des bruits provoqués par les vibrations des roues. Une solution actuelle consiste à enlever de la matière sur rail neuf par usinage de surface, au niveau des régions les plus vulnérables que sont le sommet de la table de roulement à l'endroit du contact avec le bandage des roues ainsi que les congés de roulement du champignon, à savoir, dans le cas particulier des rails à gorge, les congés de raccordement de la gorge avec la table de roulement d'un côté et de la bavette de l'autre. Puis, on réalise par soudure un rechargement sacrificiel de ces zones par un matériau de renforcement, donc plus résistant que l'acier du rail (classiquement un alliage de Cr-Ni avec du Mo). Une reprise en rectification est ensuite nécessaire pour retrouver le profil nominal du rail avant sa mise en voie. En cours d'utilisation, on recharge et on rectifie régulièrement le rail à ces endroits pour compenser la perte du matériau de renfort par usure due aux frottements. L'intérêt de la méthode est qu'il n'est pas nécessaire de déposer le rail enterré pour le reconditionner. Cependant, son coût est évidemment très élevé, voire rédhibitoire. En outre, il se crée inévitablement une zone thermiquement affecté (ZAC) propre à tout soudage, qui oblige à un réchauffage final pour tenter de restaurer les propriétés mécaniques, lesquelles sont de toute façon difficiles à atteindre en raison de la teneur relativement haute en carbone de l'acier dont sont faits les rails habituellement. De surcroît, le soudageréchauffage crée inévitablement des déformations d'origine thermiques qui, compte tenu de la forme géométrique assez complexe du champignon des rails à gorge, sont difficilement récupérables même par une nouvelle opération de redressage du rail Le but de la présente invention est d'apporter une réponse au problème de l'usure des rails, notamment des rails à gorge, qui s'affranchisse des inconvénients des remèdes précités connus A cet effet, I'invention a pour objet un rail de chemin de fer dont le champignon est renforcé contre l'usure et qui se caractérise en ce que, pour réaliser le renforcement du champignon, le rail est obtenu directement de laminage, selon le processus habituel de laminage des rails de chemin de fer, d'un demi-produit métallurgique, avantageusement constitué par un bloom issu de la coulée continue, présentant une face garnie par un matériau de renforcement au moins sur une partie de sa largeur, ladite face étant celle destinée au formage du champignon lors du laminage, et en ce qu'il comporte, à l'état laminé, une couche continue formée par ledit matériau de renforcement qui s'étend sur toute la longueur du rail et recouvre totalement la largeur de la table de roulement ainsi que son congé de roulement. Préférentiellement, L'objet de l'invention est un rail à gorge destiné à être enterré et utilisé en milieu urbain pour le transport et le guidage de véhicules ferroviaires, tels que tramways et métropolitains légers, et dont le champignon renforcé contre l'usure comporte une table de roulement, une bavette latérale et, entre les deux, une gorge de guidage ayant le bord de ses flancs formés par des congés de raccordement avec la table de roulement (le congé de roulement), d'une part et, d'autre part, avec la bavette latérale, ce rail à gorge étant caractérisé en ce que, pour réaliser le renforcement du champignon, le rail est obtenu directement par laminage, selon le processus habituel de laminage des rails à gorge, d'un demi-produit métallurgique, avantageusement un bloom issu de la coulée continue et présentant une face garnie par un matériau de renforcement au moins sur une partie de sa largeur, ladite face étant celle destinée au fendage lors du laminage pour la réalisation de la gorge, et en ce qu'il comporte, à l'état laminé, une couche continue formée par ledit matériau de renforcement qui s'étend sur toute la longueur du rail et recouvre totalement la largeur de la table de roulement ainsi que le congé de roulement. De préférence, le congé de raccordement de la gorge avec la bavette latérale est également revêtu par une couche continue dudit matériau de renforcement. De préférence encore, la couche de revêtement de renforcement présente une épaisseur qui va en diminuant depuis le congé de roulement. Comme on le comprend, la solution proposée par l'invention consiste à réaliser le rail renforcé directement par laminage. On obtient ainsi par laminage un rail prêt à l'emploi avec les matériaux de renfort là où il faut, avec le bon profil et la bonne rectitude sans nécessiter de reprises, et sans zone affectée par la chaleur (ZAC) puisque le réchauffage avant laminage efface sur le demiproduit revêtu à laminer la ZAC éventuellement créée lors de l'apport du matériau de renforcement. L'invention a ainsi également pour objet un procédé de fabrication d'un tel rail de chemin de fer , selon lequel on lamine le rail à partir d'un demiproduit métallurgique de section rectangulaire en acier pour rail, caractérisé en ce que l'on applique sur une face du demi-produit, une couche de matériau de renforcement qui la recouvre complètement, puis on lamine ledit demi-produit de la manière habituelle de laminage d'un rail à gorge, mais en réalisant l'opération de formage du champignon sur la face revêtue. De préférence, le demi-produit nu est un bloom issu de la coulée continue. L'application de la couche de matériau de renforcement sur une face du demi-produit nu peut se faire de diverses manières, par exemple par rechargement à chaud d'un métal d'apport en fusion, par soudage d'une bande, par co-laminage du demi-produit et d'une telle bande, ou par tout autre technique connue ou à venir permettant l'obtention d'un demi-produit composite, formé par la superposition d'un bloom en acier pour rail avec une couche superficielle simple face en matériau résistant à l'usure par frottement, tel qu'un alliage de Ni-Cr-Mo par exemple, et qui est déjà connu et utilisé aux mêmes fins. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence à la planche de dessins annexée sur laquelle; - la figure 1 représente, vu en section droite, un rail à gorge fini prêt à l'emploi conforme à l'invention; - la figure 2 est un schéma fonctionnel représentant les étapes d'un procédé de fabrication d'un rail à gorge selon l'invention. Sur la figure i, on reconnaît le profil d'un rail à gorge avec son patin 1, son âme verticale 2 qui se termine par un champignon 3. Ce champignon constitue la partie active du rail, puisque destinée à venir au contact des roues du véhicule ferroviaire (non représenté) posé au-dessus, une fois la ligne de chemin de fer construite à partir d'une double rangée parallèle de rails selon la figure 1 mis bout à bout. Une telle ligne de chemin de fer est classiquement enfouie en sol 4 jusqu'à un niveau 5 laissant affleurer le champignon 3. Ce champignon est lui-même classiquement formé de trois parties fonctionnelles, juxtaposées de la gauche vers la droite sur la figure; la table de roulement 6 d'abord dont le sommet 7 constitue la surface active du rail en contact en charge avec les roues du véhicule support, la gorge 8 ensuite, destinée à recevoir le boudin de roue pour la guider en courbes par venue en butée contre ses flancs 9 et 10, et enfin la bavette 11 servant de glissière latérale d'anti-déraillement par son flan intérieur 10 ainsi que de cloison empêchant l'enfouissage de la gorge 8. Le champignon 3, I'âme 2 et le patin 1 sont habituellement obtenus d'une seule pièce par laminage d'un bloom en acier pour rails issu d'une machine de coulée continue produisant des blooms ou des brames à refendre en blooms. Comme on le voit, la table de roulement est revêtue d'une couche 12, venue de laminage du rail, en matériau résistant à l'usure par frottement, tel qu'un alliage à base de Nickel-Chrome, dopé au Molybdène, ou tel qu'un acier austénitique . L'épaisseur de la couche 12 est préférentiellement d'au moins 2 mm à l'endroit le plus sollicité qu'est le congé de roulement 13 raccordant le flan intérieur 9 de la gorge 8 avec le dessus de la table de roulement 6. Cette couche peut être d'épaisseur constante sur toute la table 6. Elle peut également, de préférence, se réduire progressivement depuis le congé 13 de part et d'autre de celuici, jusqu'au bord extérieur 14 de la table et le long du flan 9 de la gorge. En tous cas, elle doit impérativement être continue, donc sans zones découvertes, même locales, selon toute la largeur de la surface active 7 du champignon et se prolonger vers le fond de gorge sur le flanc intérieur 9 de celle-ci en recouvrant le congé de roulement 13. De préférence, comme on le voit sur la figure 1, le flanc 10 de gorge ménagé sur la bavette il peut également avoir son bord haut recouvert par une couche 15 de matériau de renforcement à épaisseur constante ou progressive à partir du congé de raccordement 16 entre la gorge et la bavette. On verra en référence à la figure 2 comment les couches 12 et 15 proviennent conjointement de la même couche initiale sur le demi-produit à laminer dont elles sont issues directement par le laminage, alors que le fond 17 de la gorge se retrouve, iui, nu de tout revêtement de renfort, ce qui s'avère être un avantage économique par gain de matière puisqu'un renforcement antiusure à cet endroit serait sans utilité. En se reportant à présent précisément à la figure 2, on peut suivre chronologiquement les étapes principales de fabrication au défilé d'un rail conforme à l'invention. Un bloom 20, en acier habituel pour rails de voie ferrée, est issu d'une installation de coulée continue 21 et dirigé dans une station de revêtement 22 afin d'être recouvert sur une face par une couche 23 d'un matériau de renforcement anti-usure (alliage de Ni-Cr, dopé au Mo, par exemple). Après réchauffage dans un four 24 pour l'amener à sa température de laminage, le demi-produit 20-23, issu de la station 22, est laminé dans un train de laminage 25 de type habituel pour la fabrication de rails à gorge. Le rail à gorge 26 obtenu est ensuite amené à la température ambiante par séjour dans un refroidissoir 27, avant d'être dressé à froid dans une dresseuse 28 qui assure la rectitude du produit. Celui-ci subit alors un contrôle-qualité dans une unité d'inspection 29 avant de terminer son processus de fabrication dans une station de parachèvement 30, où il est notamment découpé à longueur et perforé aux endroits prévus pour assurer ensuite son montage en voie. On notera que le train de laminage 25 est un train tout à fait conforme à ceux classiquement utilisés ou utilisables pour le laminage de rails à gorge, à savoir un train dont les cages successives sont pourvues de cylindres à cannelures, qui impriment progressivement à l'ébauche passant dans les emprises des cages, le profil final souhaité en forme et en dimensions. On prendra cependant soin d'orienter le bloom revêtu 20-23 à l'entrée du train 25 de manière que l'opération de formation de la gorge, dite "opération de fendage") qui s'effectue par enfoncement d'une face de l'ébauche par des cylindres de laminage pourvus d'une nervure à cet effet, s'effectue bien sur la face du demi-produit garnie de la couche de renforcement 23. Ce garnissage est effectué, comme on l'a dit, dans la station de revêtement 22. Différentes techniques d'application sont possibles, telles que l'explosion, le co-laminage d'une bande d'apport avec le bloom nu à revêtir, la métallisation par projection sur la face à revêtir, un rechargement de cette face par soudure à l'arc de méplats ou de fils en matériau de renforcement posés les uns à côté des autres selon la largeur de la face à garnir. Toute technique de revêtement métallique peut à cet égard convenir si elle permet, comme on l'a déjà mentionné, de revêtir par une couche continue 23 toute la face du demi-produit à laminer, ou une partie seulement de sa largeur. A titre d'essais, qui se sont avérés concluants, on a effectué ce revêtement par rechargement à chaud à l'aide de fils d'acier austénitiques déposés et soudés à l'arc jusqu'à former par étalement de la matière une couche constante garnissant toute la face concernée du bloom à laminer. II est utile de souligner, à ce stade de l'exposé, les deux aspects essentiels à la base de la faisabilité industrielle d'un rail à gorge à champignon revêtu conforme à l'invention: L'effet du "fendage de face" pour la formation de la gorge, et la possibilité d'avoir une couche de revêtement initiale 23 continue sur le demi-produit à laminer qui soit d'épaisseur variable selon la largeur de la face à garnir. On a pu découvrir en effet que c'est l'opération de "fendage" elle-même qui naturellement permettait de séparer la couche initiale 23 en deux zones continues chacune, mais écartées sur le produit fini, l'une 12 recouvrant la table de roulement 6 et le congé de roulement 13, L'autre 15 venant recouvrir le congé de raccordement 16 de la bavette 11, et ce en créant du même coup un fond de gorge 17 exempt de tout revêtement (qui serait là superflu), alors que cet endroit, sur lequel vient se positionner la nervure des cylindres de laminage, était pourtant initialement garni. De surcroît, on a pu montrer que cet endroit de la face revêtue du demiproduit à laminer, non seulement devait être garni pour assurer le résultat final souhaité prémentionné, mais garni avec une épaisseur de couche préférentiellement plus élevée là qu'ailleurs. On pouvait ainsi par cette seule particularité obtenir sur rail fini une épaisseur de couche de renforcement plus importante sur les congés 13 et 16 (les plus sollicités par l'usure en courbe) et allant en s'amenuisant progressivement quand on s'éloigne de ces congés. Autrement dit, on aura avantage à retenir une technique de revêtement métallique, actuelle ou à venir qui, à l'instar de celle déjà mentionnée à rechargement par soudure de fils ou de méplats, permette de réaliser des épaisseurs de couche initiale 23 variable sur la largeur de la face à garnir. II va de soi que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit ci-avant, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les revendications qui suivent. En particulier, la couche de revêtement 23 peut ne concerner qu'une partie de la face à garnir de manière que seule la surface active 7 du rail fini soit renforcée. Là aussi, la technique par rechargement par soudure apparaît bien adaptée. De même, de nombreux alliages peuvent convenir pour constituer le matériau de renforcement. On retiendra préférentiellement les aciers austéniques , ou les alliages ferreux, ou non, ayant, en poids, au moins 10% de Cr ou de Ni ou de Mn, ou une combinaison des trois atteignant au moins ces 10 % en poids, et du Mo en quantité pondérale de 3% au plus, ou comprise classiquement entre 0.5% et 1%. De même encore, par "une couche de renforcement", il faut entendre au moins une couche, étant entendu qu'il serait en effet parfaitement faisable de revêtir la face concernée du demi-produit à laminer par plusieurs couches superposées de matériaux différents, ou par une couche unique mais à gradient de propriétés selon son épaisseur. On rappellera par ailleurs que, si l'invention a été conçue initialement pour les rails à gorge, elle n'en demeure pas moins applicable également aux rails en "T" des voies ferrées habituelles dont le champignon est uniquement formé par une table de roulement bordée de chaque coté par un congé de roulement et sur l'un ou l'autre desquels vient frotter le boudin de roue dans les courbes, selon que la courbe vire à droite ou à gauche. Outre le sommet de la table de roulement qui sera renforcé, la couche de renforcement recouvrira alors, de préférence, les deux congés de manière à pouvoir indifféremment placer le rail sur la ligne de gauche ou la ligne de droite lors de sa mise en voie. Toutefois, on peut se limiter à ne recouvrir qu'un seul congé, si la symétrie de la forme géométrique du rail permet d'inverser son sens de dépose en voie. REVENDICATIONS 1) Rail de chemin de fer dont le champignon est renforcé contre l'usure et qui se caractérise en ce que, pour réaliser le renforcement du champignon (3), le rail est obtenu directement de laminage, selon le processus habituel de laminage des rails de chemin de fer, d'un demi-produit métallurgique (20) présentant une face garnie par un matériau de renforcement (22) au moins sur une partie de sa largeur, ladite face étant celle destinée au formage du champignon lors du laminage, et en ce qu'il comporte, à l'état laminé, une couche continue (12) formée par ledit matériau de renforcement qui s'étend sur toute la longueur du rail et recouvre totalement la largeur de la table de roulement (6) ainsi que son congé de roulement. 2) Rail selon la revendication 1, du type "rail à gorge" destiné à être enterré et utilisé en milieu urbain pour le support et le guidage de véhicules ferroviaires tels que tramways au métropolitains légers, et dont le champignon renforcé comporte une table de roulement, une bavette latérale et, entre les deux, une gorge de guidage ayant le bord de ses flancs formés par des congés de raccordement avec la table de roulement (le congé de roulement) d'une part, et, d'autre part, avec la bavette latérale, rail à gorge caractérisé en ce que, pour réaliser le renforcement du champignon (3), le rail est obtenu directement par laminage, selon le processus habituel de laminage des rails à gorge, d'un demi-produit présentant une face garnie par un matériau de renforcement au moins sur une partie de sa largeur, ladite face étant celle destinée au fendage lors du laminage pour la réalisation de la gorge (8) du rail, et en ce qu'il comporte, à l'état laminé, une couche continue (12) formée par ledit matériau de renforcement qui s'étend sur toute la longueur du rail et recouvre totalement la largeur de la table de roulement (6) ainsi que le congé de roulement (9). 3) Rail à gorge selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bavette latérale (11) est également revêtue par une couche continue (15) de matériau de renforcement sur le congé de raccordement (16) avec le flanc extérieur (10) de la gorge (8). 4) Rail à gorge selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le revêtement (12, 15) présente une épaisseur au moins égale à 2 mm au niveau des congés de raccordement (13, 16). 5) Rail selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que la table de roulement (6) présente une couche (12) de matériau de renforcement dont l'épaisseur va en diminuant depuis le congé de roulement (13, 14)). 6) Rail selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de renforcement constitutif du revêtement comprend au moins 10 % en poids d'un ou plusieurs éléments choisis parmi le Cr, le Ni et le Mn, et au plus environ 3% de Mo. 7) Rail selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le demiproduit dont il est issu est un bloom obtenu par coulée continue. 8) Procédé de fabrication d'un rail de chemin de fer conforme à la revendication 1 ou 2e, selon lequel on lamine le rail à partir d'un demi-produit métallurgique de section rectangulaire, caractérisé en ce qu'on dépose, sur une face du demi-produit (20) une couche (23) de revêtement de renforcement qui recouvre au moins partiellement ladite face et de manière continue, puis on lamine le demi-produit ainsi revêtu de la manière habituelle de laminage des rails de chemin de fer mais en réalisant l'opération de formage du champignon sur la face revêtue. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on dépose sur une face du demi-produit (20) une couche (23) de revêtement d'épaisseur variable selon la largeur de la face. 10) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on effectue le dépôt de la couche (23) sur une face du demi-produit (20) par co-laminage d'un feuillard et du demi-produit (20), ou par rechargement par soudure de fils ou de méplats sur ladite face.