FR2992334A1 - Jonction d'elements de voie ferroviaire en acier manganese par soudure directe - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet une jonction ferroviaire par soudure directe entre, d'une part, un coeur de voie et, d'autre part, un rail, caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments joints est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone inférieure à 0,12%, et - une teneur en manganèse supérieure à 11%.
Description
- 1 - DESCRIPTION La présente invention se rapporte au domaine des compositions d'acier manganèse et plus particulièrement à l'application de ces compositions dans des procédés de jonction d'installations de voie du domaine ferroviaire.
Actuellement, la jonction d'éléments de voie ferroviaire et notamment la jonction entre, d'une part, un coeur de voie en acier fortement allié au manganèse et, d'autre part, un rail, fait intervenir l'utilisation d'une pièce intermédiaire réalisée par un insert en acier inox. Lorsque la jonction des éléments est effectuée sans apport d'une pièce intermédiaire, les compositions respectives des aciers qui constituent chacun des deux éléments de la jonction empêchent la réalisation d'une soudure directe de bonne qualité. Ainsi, lorsqu'un rail en acier carbone est soudé à un coeur de voie en acier fortement allié, la soudure provoque la formation d'un alliage dont la composition est différente de celle des différents matériaux de base.
La combinaison de l'acier carbone du rail avec l'alliage du coeur de voie aboutit à la formation dans la zone de fusion d'un alliage d'acier dont la nature est difficilement contrôlable et dont les propriétés de résistance aux chocs et aux vibrations sont relativement faibles avec un fort risque de rupture dans cette zone ainsi que dans la zone affectée thermiquement.
Un exemple de jonction par soudure directe est illustré par la publication de la demande FR2840628 qui propose l'utilisation d'un tronçon de rail réalisé en acier bainitique dont la teneur en carbone est inférieure à 0,55% associé à un élément de voie dont la composition est celle d'un acier Hadfield contenant 12 à 14% de Manganèse. Cependant, une jonction avec des éléments d'une telle composition forme un arrangement qui présente comme inconvénient, d'une part, de ne pouvoir être appliqué qu'à des rails composés d'acier bainitique faiblement allié et, d'autre part, d'imposer une jonction rail/coeur de voie avec, au niveau de la soudure, une dureté élevée pouvant générer une rupture.
La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient en proposant une jonction ferroviaire autorisant une soudure directe d'un coeur de voie avec un rail en acier dont la teneur en carbone n'est pas impérativement restreinte, cette jonction ferroviaire présentant une - 2 - résistance améliorée à la rupture ainsi que dans certains couples matière une résistance à l'usure plus élevée. L'invention a ainsi pour objet une jonction ferroviaire par soudure directe entre, d'une part, un coeur de voie et, d'autre part, un rail, 5 caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments joints est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone inférieure à 0,12%, et - une teneur en manganèse supérieure à 11%. L'invention a également pour objet un procédé de soudure 10 directe, caractérisé en ce que le procédé est mis en oeuvre au niveau d'une jonction ferroviaire selon l'invention. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins 15 schématiques annexés, dans lesquels : - la figure 1 se rapporte à un tableau récapitulatif des exemples de composition chimique d'acier selon l'invention, - la figure 2 se rapporte à un tableau résumant les propriétés mécaniques d'un acier selon une des compositions chimiques selon 20 l'invention, - la figure 3 se rapporte à une représentation graphique de la dureté d'une jonction par soudure directe en fonction de la distance par rapport au centre de cette jonction, - la figure 4 se rapporte à des exemples de test de flexion selon 25 la norme européenne trois soudures directes selon l'invention opérées par étincelage. Il convient de comprendre que, dans le présent document, le terme « ferroviaire » se rapporte aussi bien à des éléments dormants de voie ferrée pour train qu'à des éléments dormants de voie ferrée pour tramway. 30 La présente invention repose notamment sur une jonction ferroviaire par soudure directe entre, d'une part, un coeur de voie et, d'autre part, un rail, caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments joints est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone inférieure à 0,12%, et 35 - une teneur en manganèse supérieure à 11%. Une telle composition d'un des éléments permet, de par sa très faible teneur en carbone, une soudure facilitée de l'élément avec un second - 3 - élément dont la composition de l'acier ne comporte pas une teneur imposée en carbone qui soit trop faible et des éléments d'addition favorisant une meilleure soudure. La teneur en manganèse supérieure à 11% assure une meilleure résistance à l'usure à la déformation et à l'écrouissage. Cette 5 teneur plus élevée en manganèse dans la composition de l'acier permet de maintenir sa résistance à la rupture tout en diminuant la teneur en carbone. Le rôle du carbone dans cet acier est d'obtenir une dureté suffisante de l'acier principalement par le renforcement de solution solide. D'autre part, une haute teneur en carbone conduit à une augmentation de la 10 quantité d'austénite retenue, entraînant une réduction de la dureté. Une augmentation de la teneur en carbone améliorera de façon significative le risque de fragilisation des joints de grains dans ces aciers, en raison de la formation de carbure sous forme de réseaux, d'une part, dans l'état tel que manufacturé et, d'autre part, à la suite de soudage. Par conséquent, pour 15 maintenir l'équilibre délicat entre la dureté et le risque de fragilisation, la teneur en carbone doit être comprise entre 0,01 et 0,12% pour ces aciers (toutes les compositions sont données en pourcentage de poids, sauf indication contraire). La soudabilité est améliorée avec une teneur en carbone inférieure à 0,10, préférablement inférieure à 0,08. 20 Pour obtenir la microstructure souhaitée, la teneur en carbone est d'au moins 0,01% et de préférence au moins 0,02%. D'un point de vue de fabrication de l'acier, une teneur minimale appropriée de carbone est de l'ordre de 0,04%. Le manganèse est un élément favorisant l'austénite. Il stabilise 25 l'austénite, par exemple en augmentant la plage de température dans laquelle l'austénite se forme. Une variation de la teneur en manganèse dans les aciers selon l'invention a révélé qu'un maximum de dureté est obtenu avec une teneur en manganèse d'au moins 11%. A des niveaux très élevés de manganèse, par 30 exemple à 15%, la dureté diminue à un niveau insuffisant. La dureté montre une intime corrélation avec la résistance à l'usure. La résistance à l'usure est un facteur déterminant pour la durée de vie de la plupart des pièces de chemins de fer, y compris des appareils de voie. Un faible taux d'usure signifie que la réparation de la pièce est nécessaire moins fréquemment. La 35 différence significative de la résistance d'usure entre les aciers ayant une teneur en manganèse inférieure à 11% et ceux avec une teneur supérieure à 11% est attribuée à des différences dans la microstructure. Les niveaux de - 4 - manganèse inférieurs à 11% ont entièrement abouti à des microstructures martensitiques, alors que les niveaux supérieurs à 11% ont présenté des microstructures mixtes d'austénite, de g-martensite (arrangement condensé hexagonale, ou hcp martensite) et de martensite. La résistance à l'usure des aciers ayant des microstructures martensitiques complètes apparaît être plus pauvres que celle des microstructures mixtes contenant martensite et austénite. Cependant, l'augmentation de la teneur en manganèse entraîne également une augmentation de l'austénite retenue. Pour les teneurs en manganèse de plus de 15%, les niveaux d'austénite résiduelle devient suffisamment élevée pour que l'augmentation de la dureté de la phase martensitique soit largement compensée par la proportion croissante de l'austénite plus molle, de sorte que la dureté totale de l'acier diminue avec la résistance à l'usure. La résistance à la propagation des fissures est élevée et est associée à une progression très lente des cassures. Grâce à cela, la possibilité de détection des fissures de fatigue en développement est accrue, et la ou les parties touchées peuvent être retirées ou réparées avant qu'un dommage complet ne se produise. Sur la base de ce raisonnement, la teneur en manganèse est préférentiellement comprise entre au moins 11% et au plus 15%. Comme le manganèse est également un élément d'alliage coûteux, une teneur maximale de manganèse approprié a été trouvée à 14%, voire même 13%. Une teneur appropriée minimale de manganèse a été de 11,5%. La valeur maximale de dureté et de résistance à l'usure a été atteinte lorsque la teneur en manganèse est comprise entre 12 et 13% de Mn. À ces niveaux les quantités, d'une part, d'austénite retenue et de g-martensite et, d'autre part, de martensite dure sont en proportion sensiblement équivalente, fournissant ainsi une combinaison satisfaisante de résistance au choc et la dureté. Selon une particularité de réalisation, la jonction ferroviaire par soudure directe est caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments de 30 cette jonction est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone comprise entre 0,01 et 0,12%, - une teneur en manganèse comprise entre 11% et 15%, - une teneur en silicium inférieure à 0,5%, - une teneur en molybdène comprise entre 1,6% et 2,95%. 35 Le molybdène est efficace pour augmenter la résistance de l'acier aux chocs. De plus, en raison de l'effet d'épuration (scavenging effect) du molybdène pour le phosphore, les phénomènes de fragilisation de - 5 - colère sont empêchés. À un niveau de 0,6% de molybdène, l'augmentation de la résistance aux chocs est déjà notable, mais une augmentation supplémentaire est obtenue avec des valeurs supérieures à 0,6%. L'augmentation des niveaux de résistance aux impacts plafonne à partir d'une valeur de 1,5%. Aussi, l'addition de molybdène dans cet acier doit être comprise entre 0,6% et 2,95%, avec une teneur en molybdène qui est préférentiellement d'au moins 1,25%. Une teneur en molybdène de 1,5% a été trouvée pour être une valeur minimum convenable pour des valeurs stables de résistance aux chocs. Une teneur en molybdène de 1,90% a été jugée comme étant une valeur maximale adaptée à partir d'un coût combiné et d'une perspective technique puisque des additions à des valeurs au-delà de 1,90% aboutissent uniquement à une modeste amélioration. Il a été constaté que le silicium a peu d'effet sur la résistance aux chocs et la résistance à l'usure de ces aciers, bien qu'il fournisse une augmentation de la résistance à la traction et à la dureté par le renforcement de solution solide. Le silicium sert également en tant qu'agent désoxydant (killing agent) au cours de la production d'acier. Sur cette base, une valeur maximale de Si de 0,5% est recommandée. Une teneur minimale appropriée de 0,10, voire 0,15%, et/ou une teneur maximale appropriée de 0,40 ou même 0,35%, ont été déterminées. Le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le cuivre (Cu) montrent un effet similaire à celui du manganèse (Mn) par l'intermédiaire de leurs capacités à favoriser la formation de l'austénite. Dans une certaine mesure ces éléments peuvent être ajoutés, voire remplacer, le manganèse.
Les alliages selon l'invention se sont révélés être facilement usinable. Un ou plusieurs ajouts de soufre, de calcium, de tellure, ou de sélénium, ou de tout autre élément connu permettant d'améliorer l'usinabilité peuvent être réalisés pour aboutir à ces alliages si nécessaire. La teneur en phosphore est généralement maintenue en dessous 30 de 0,02% pour minimiser les risques de fissuration à chaud. L'acier selon l'invention est préférentiellement désoxydé par le silicium (silicon killed). Pourvu que la propreté de l'acier reste en conformité avec les spécifications en termes de valeur maximale des inclusions d'oxyde d'aluminium, l'acier peut également être désoxydé par 35 l'aluminium (aluminium killed) ou par une association aluminium-silicium (aluminium-silicon killed). - 6 - L'acier selon l'invention présente une teneur en hydrogène inférieure à 5 ppm, préférentiellement inférieure à 3,5 ppm et idéalement inférieure à 2,5 ppm. Bien que le chrome soit préférentiellement maintenu en dessous 5 d'un niveau d'impureté de 0,15%, le chrome n'est pas ajouté délibérément. Pour certaines applications, le chrome peut être ajouté jusqu'à un niveau de 0,3%. Selon une particularité de réalisation non-limitative de l'invention, la jonction ferroviaire par soudure directe est caractérisée en ce 10 que la composition de l'acier d'au moins un des deux éléments de la jonction comprend une teneur en silicium inférieure à 0,1%. Selon une particularité complémentaire de réalisation de l'invention, la composition de l'acier d'au moins un des deux éléments de la jonction comprend une teneur en austénite correspondant à au moins 15% 15 du volume dans son état laminé à chaud ou dans l'élément de la jonction à la température ambiante. Selon une autre particularité complémentaire de réalisation de l'invention, la composition de l'acier présente une teneur en carbone inférieure à 0,02%.
20 Selon une autre particularité complémentaire de réalisation de l'invention, la composition de l'acier présente une teneur en chrome comprise entre 0,02% et 0,03%. Selon un mode de réalisation préférée de la jonction ferroviaire de l'invention, cette jonction ferroviaire par soudure directe est caractérisée 25 en ce que le coeur de voie est formé par un acier dont la composition est définie selon le présent document. La présente invention se rapporte également à un procédé de soudure directe caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au niveau d'une jonction ferroviaire selon l'invention.
30 Selon une première variante de réalisation, le procédé de soudure directe selon l'invention fait intervenir une étape de soudure par étincelage. Selon une seconde variante de réalisation, le procédé de soudure directe selon l'invention fait intervenir une étape de soudure 35 électrique. - 7 - Selon une troisième variante de réalisation, le procédé de soudure directe selon l'invention fait intervenir une étape de soudure par aluminothermie. Grâce à un durcissement en voie de l'acier allié au manganèse 5 permettant d'obtenir une dureté de l'ordre de 550 HB, un avantage de la jonction ferroviaire selon l'invention représenté par les résultats de la figure 3 est une variation réduite de la dureté par rapport à une jonction ferroviaire classique. Ainsi la jonction ferroviaire selon l'invention permet une soudure directe dont la résistance à la cassure et à l'usure est plus 10 importante et améliorée. La combinaison de cette résistance à la cassure avec la résistance à l'usure se trouve également confirmée par les résultats présentés par la figure 4 qui présentent des tests de déformation de la jonction ferroviaire par soudure directe selon la norme européenne EN 14587.
15 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Jonction ferroviaire par soudure directe entre, d'une part, un coeur de voie et, d'autre part, un rail, caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments joints est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone inférieure à 0,12%, et - une teneur en manganèse supérieure à 11%.
- 2. Jonction ferroviaire par soudure directe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins un des deux éléments de cette jonction est formé par un acier dont la composition présente : - une teneur en carbone comprise entre 0,01 et 0,12%, - une teneur en manganèse comprise entre 11% et 15%, - une teneur en silicium inférieure à 0,5%, - une teneur en molybdène comprise entre 1,6% et 2,95%.
- 3. Jonction ferroviaire par soudure directe selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition d'acier 15 comprend une teneur en silicium inférieure à 0,1%.
- 4. Jonction ferroviaire par soudure directe selon une des revendications précédentes, caractérisée la composition d'acier comprend une teneur en austénite correspondant à au moins 15% du volume dans son état laminé à chaud ou dans l'élément de la jonction. 20
- 5. Jonction ferroviaire par soudure directe selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition d'acier présente une teneur en carbone inférieure à 0,02%.
- 6. Jonction ferroviaire par soudure directe selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'acier présente une 25 teneur en chrome comprise entre 0,02% et 0,03%.
- 7. Jonction ferroviaire par soudure directe selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le coeur de voie est formé par un acier dont la composition est définie par une des revendications précédentes. 30
- 8. Procédé de soudure directe, caractérisé en ce que le procédé est mis en oeuvre au niveau d'une jonction ferroviaire selon une des revendications 1 à 7.-9-
- 9. Procédé de soudure directe selon la revendication 8, caractérisé en ce que le procédé fait intervenir une étape de soudure par étincelage.
- 10. Procédé de soudure directe selon la revendication 8, 5 caractérisé en ce que le procédé fait intervenir une étape de soudure électrique.
- 11. Procédé de soudure directe selon la revendication 8, caractérisé en ce que le procédé fait intervenir une étape de soudure par aluminothermie.
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