FR3021331A1 - Aiguille bainitique resistante a l'usure et procede de production de celle-ci - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une aiguille bainitique résistante à l'usure, qui contient de la ferrite bainitique sous forme de paillettes dans la plage de 30 mm de profondeur de la couche de surface du champignon du rail (1) à la partie de cœur et des carbures en forme de points et/ou en forme de barres d'une longueur moyenne de 0,05 à 0,5 µm dispersés sur la ferrite bainitique, les carbures étant orientés dans une direction selon un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe de la ferrite bainitique, le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique étant de 0,001 à 1:100. La présente invention décrit en outre un procédé pour produire l'aiguille bainitique résistante à l'usure. L'aiguille bainitique décrite dans la présente invention présente des propriétés remarquables de ténacité et de résistance à l'usure, et est de ce fait avantageuse pour prolonger la durée de vie des aiguilles, en particulier des branchements de voie ferrée de transport lourd qui sont utilisés dans des conditions de fonctionnement difficiles.

Description

Aiguille bainitique résistante à l'usure et procédé de production de celle-ci La présente invention concerne une aiguille bainitique résistante à l'usure et un procédé de production de celle-ci. En tant que pièces clés qui supportent des impacts fréquents des roues du train et qui guident le changement de direction du train, les branchements de voie ferrée sont étroitement liés à l'efficacité de fonctionnement et à la sécurité des voies ferrées en termes de qualité, de performance et de durée de vie de celles-ci. La qualité d'un branchement de voie ferrée dépend principalement de la qualité de sa matière première (aiguilles en acier, également appelées aiguilles), en plus des techniques de traitement et de fabrication. Au cours des dernières années, alors que les ont été rapidement développées vers une tendance au transport lourd, les conditions de fonctionnement des aiguilles sont devenues de plus en plus exigeantes. Par conséquent, dans certaines sections de voie ferrée, les aiguillages de voie ferrée doivent être remplacés après avoir été utilisés pendant quelques mois, voire des dizaines de jours. Ce problème limite sérieusement le développement rapide des voies ferrées. Dans le développement d'aiguilles, les aiguilles devraient être développées non seulement pour satisfaire à l'exigence d'une grande rigidité, mais également pour obtenir une meilleure adéquation de ténacité, pour améliorer la performance globale des aiguilles, comprenant une grande résistance aux impacts, une grande résistance à la fatigue de contact, et une grande résistance à l'usure. À l'heure actuelle, les produits largement appliqués sont toujours les produits de branchements et de croisements de rails en perlite, alors que les produits en acier bainitique ont retenu un fort intérêt en raison de leur adéquation de ténacité, de leur meilleure performance globale, et de leurs larges perspectives d'application. Sur la base des propriétés de l'acier bainitique, la résistance aux impacts des produits bainitiques est beaucoup plus élevée que celle des produits en perlite, et la résistance aux impacts et la résistance à l'écaillage des lames d'aiguilles de branchements bainitiques sont plus élevées. Cependant, un problème d'usure rapide n'a pas encore été résolu efficacement, en particulier pour les voies ferrées de transport lourd. À l'heure actuelle, les aiguilles bainitiques sont produites principalement par des procédés de laminage, de refroidissement par air et de revenu subséquent, telles que décrits dans les documents de brevets CN-C100471974 et CN-C-1166804, etc. De plus, un refroidissement accéléré peut être utilisé après le laminage pour obtenir des structures bainitiques plus fines. Dans le document de brevet CN-A-1095421, un procédé pour produire des rails en acier bainitique à haute résistance qui ont une excellente performance de résistance à l'endommagement par fatigue de contact de roulement est présenté, comprenant : l'utilisation de la chaleur résiduelle d'un rail en acier qui contient des composants appropriés, le refroidissement de la surface supérieure du rail en acier à une vitesse de refroidissement de 1 à 10°C/s et l'arrêt du refroidissement accéléré lorsque la température du rail en acier est dans la plage de 500 à 300 °C, et ensuite le refroidissement du rail en acier par refroidissement naturel ou par refroidissement contrôlé à la température ambiante, de manière à obtenir un rail en acier qui a une dureté de 300 à 400 HV sur sa surface et une dureté de 350 HV ou plus élevée au niveau des angles de la surface supérieure. Cependant, un problème dans ce procédé est que, étant donné que la section transversale d'un rail en acier ordinaire est une section symétrique, la spécification pour une utilisation normale de rails en acier ordinaire peut être satisfaite seulement tant que la performance requise des rails en acier dans la couche de surface et dans une plage spécifique de profondeur est prise en considération lorsqu'un refroidissement accéléré est exécuté ; en revanche, les aiguilles, en tant que matière première pour la production d'aiguillages de chemin de fer, ne peuvent être utilisées qu'après le fraisage de la partie de champignon de rail. Par exemple, dans le cas des aiguillages utilisés sur les voies ferréesen Chine, les aiguilles sont traitées jusqu'à 23 mm de profondeur, c'est-à-dire que la partie dans les limites de 23 mm de profondeur sous la couche de surface du champignon de rail est fraisée. Par conséquent, pour les aiguilles, non seulement la performance de la couche de surface du champignon de rail doit être conforme à la spécification, mais également la performance de la partie de coeur doit être prise en considération. De plus, étant donné que la section transversale d'une aiguille est une section asymétrique, l'aire du côté de travail du champignon de rail représente un pourcentage plus élevé en comparaison avec l'aire du côté de non-travail. Si les deux côtés sont refroidis de la même manière, la vitesse de refroidissement du côté de travail du champignon de rail est plus faible en raison de la capacité calorifique plus élevée du côté de travail lors du processus de refroidissement accéléré ; par conséquent, un résultat excellent ne peut pas être atteint des deux côtés ; plus grave, dans le processus de refroidissement, le côté qui est refroidi à une vitesse de refroidissement plus élevée fléchit vers le côté qui est refroidi à une vitesse de refroidissement plus faible, et ce phénomène a des effets néfastes sur la rectitude de la longueur entière de l'aiguille et sur le processus de redressement ultérieur. Dans le document de brevet CN-C-1086743, un rail en acier bainitique qui a une grande résistance à l'endommagement par fatigue de la surface et une grande performance de résistance à l'usure est présenté. La structure microscopique du rail en acier bainitique est caractérisée en ce que : sur une section transversale donnée de la structure bainitique, l'aire totale des carbures ayant un grand axe dans la plage de 100 à 1.000 nm représente 10 à 50 % de l'aire totale de la section transversale. Cette technique présente les inconvénients évidents suivants : en tant que phase dure dans l'acier, si les carbures représentent un pourcentage trop élevé ou si les carbures ont une répartition concentrée dans l'acier, les fissures formées dans le rail en acier se développent sous contrainte préférentiellement le long des carbures, ce qui provoque des endommagements par fatigue tels que des fissures et un écaillage ou même des fractures de l'aiguille, ce qui nuit à la sécurité de fonctionnement. Bien que des mesures aient été prises pour diminuer les tailles des carbures dans l'invention pour éviter les problèmes ci-dessus, ces problèmes ne peuvent pas être résolus efficacement à la base, car le pourcentage des carbures est trop élevé.

En résumé, les procédés existants ne peuvent pas satisfaire à l'exigence d'aiguilles résistantes à l'usure. Il y a un besoin urgent pour un produit d'aiguille bainitique qui ait une excellente performance de résistance à l'usure et qui puisse répondre à la demande pour le développement des voies ferrées dans le futur. L'objectif de la présente invention est de fournir une aiguille bainitique résistante à l'usure et un procédé pour produire cette aiguille bainitique résistante à l'usure. L'aiguille bainitique présente des propriétés remarquables de ténacité et de résistance à l'usure, et est de ce fait avantageuse pour prolonger la durée de vie des aiguilles, en particulier des branchements de voie ferrée de transport lourd qui sont utilisés dans des conditions de fonctionnement difficiles.

Pour réaliser l'objectif décrit ci-dessus, la présente invention propose une aiguille bainitique résistante à l'usure, qui contient de la ferrite bainitique sous forme de paillettes dans la plage de 30 mm de profondeur de la couche de surface du champignon de rail à la partie de coeur et des carbures en forme de points et/ou de barres d'une longueur moyenne de 0,05 à 0,5 pm dispersés sur la ferrite bainitique, les carbures étant orientés dans une direction selon un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe de la ferrite bainitique, le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique étant de 0,001 à 1:100. Par leur étude, les inventeurs ont constaté que : de manière similaire au cas des carbures dans l'acier ferroviaire perlitique, les carbures sont précipités et les tailles des carbures dans l'acier bainitique ont des influences claires sur la performance de résistance à l'usure et la durée de vie des aiguilles. Au cours du fonctionnement d'une aiguille, l'aiguille subit des impacts de la part des roues de train et des contraintes complexes dans toutes les directions, et la partie de lame d'aiguille est usée, détériorée, déformée, et devient finalement défaillante sous l'effet des impacts et des contraintes dans toutes les directions. Telle que vue au microscope, en tant que phase douce dans l'acier d'une aiguille, la ferrite bainitique n'a pas une capacité suffisante de résistance aux impacts des roues et à l'usure, même si elle a été renforcée pendant le refroidissement accéléré après le laminage, et finalement la partie de lame d'aiguille devient défaillante et ne peut pas satisfaire à la spécification pour son utilisation en raison de l'usure sévère. Par ailleurs, les carbures, qui sont une phase dure dans l'acier, vont progressivement précipiter à partir de la ferrite bainitique et se concentrer alors que l'acier est usé pendant le fonctionnement, et résistent de ce fait à la contrainte exercée par les roues ensemble et peuvent améliorer la résistance à l'usure de l'acier. Quant aux tailles, formes, répartition et pourcentage des carbures dans l'acier bainitique pour la lame d'aiguille de branchement, les inventeurs ont constaté que : lorsque les carbures en forme de barres ou en forme de bandes d'une longueur ne dépassant pas 0,5 pm et orientés dans une direction selon un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe de la ferrite bainitique précipitent à partir de la matrice de ferrite bainitique, la propriété de résistance à l'usure de l'aiguille peut être améliorée, tandis que la propriété de résistance à la fatigue de contact de roulement de l'aiguille est à peine affectée. Etant donné que les branchements de voie ferrée doivent non seulement résister à des charges d'impact, mais doivent également avoir une bonne propriété de résistance à la fatigue de contact, l'aire spécifique des carbures dans l'acier de l'aiguille ne devrait pas être supérieure à 1 %. Si le pourcentage des carbures est trop élevé (par exemple, supérieur à 1 %), bien que la résistance à l'usure puisse être améliorée de manière plus efficace, les fissures formées au niveau de la partie de la lame d'aiguille qui vient en contact avec les roues se développent le long des carbures sous une contrainte externe une fois qu'elles sont formées, résultant en la formation de fissures et en un écaillage ou même des fractures, qui nuisent à la sécurité de fonctionnement. Par conséquent, le pourcentage des carbures ne devrait pas être supérieur à 1 % ; de préférence, dans la présente invention, le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique est de 0,001 à 1:100. Pour réaliser l'objet décrit ci-dessus, la présente invention propose en outre un procédé pour produire des aiguilles bainitiques résistantes à l'usure, comprenant : l'obtention d'une aiguille avec une chaleur résiduelle par un laminage de finition d'un matériau en acier, le refroidissement de l'aiguille avec la chaleur résiduelle jusqu'à une température située dans la plage de température du domaine de phase austénitique, et ensuite le refroidissement du champignon de rail de l'aiguille par un refroidissement accéléré, les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail étant respectivement de 3,0 à 5,0 °C/s, et la vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail du champignon de rail est plus élevée que les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail de 1,0 °C/s ; le traitement de l'aiguille obtenue par revenu à 300 à 350 °C pendant 7 à 9 heures lorsque la température au centre de la surface de roulement du champignon de rail tombe à 200 à 250 °C, et ensuite le refroidissement de l'aiguille à la température ambiante, pour obtenir une aiguille bainitique. Selon un autre aspect, la présente invention propose en outre une aiguille bainitique obtenue avec le procédé pour produire une aiguille bainitique résistante à l'usure tel que décrit ci-dessus. L'aiguille bainitique obtenue avec le procédé décrit présente des propriétés excellentes de ténacité et de résistance à l'usure, et est de ce fait avantageuse pour prolonger la durée de vie des aiguilles, en particulier des branchements de voie ferrée de transport lourd qui sont utilisés dans des conditions de fonctionnement difficiles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront détaillés davantage dans les modes de réalisation ci-dessous. 302 1 3 3 1 6 Les dessins joints sont fournis ici pour faciliter une meilleure compréhension de la présente invention, et constituent une partie de ce document. Ils sont utilisés conjointement avec les modes de réalisation qui suivent pour expliquer la présente invention, mais ne doivent pas être compris comme constituant une quelconque 5 limitation à la présente invention. Parmi les dessins : la figure 1 est une image au microscope électronique à transmission de la structure microscopique de l'aiguille bainitique dans un premier mode de réalisation de la présente invention dans un champ de vision sous un microscope électronique à transmission ; 10 la figure 2 est une vue en section transversale schématique de l'aiguille proposée dans la présente invention. Ci-dessous, certains modes de réalisation de la présente invention vont être détaillés, en référence aux dessins joints. Il doit être apprécié que les modes de réalisation décrits ici sont fournis uniquement pour décrire et expliquer la présente 15 invention, mais ne devraient pas être considérés comme constituant une quelconque limitation à la présente invention. La présente invention propose une aiguille bainitique résistante à l'usure, qui contient de la ferrite bainitique sous forme de paillettes dans la plage de profondeur de 30 mm de la couche de surface du champignon de rail à la partie de coeur et des 20 carbures sous forme de points et/ou sous forme de barres d'une longueur moyenne de 0,05 à 0,5 pm dispersés sur la ferrite bainitique, les carbures étant orientés dans une direction selon un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe de la ferrite bainitique, le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique étant de 0,001 à 1:100. 25 De préférence, l'aiguille bainitique contient 0,15 à 0,30 % en poids de C, 1,00 à 1,80 % en poids de Si, 1,50 à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 à 1,00 % en poids de Cr, et 0,20 à 0,50 % en poids de Mo, et le pourcentage total en poids de Mn et de Cr correspond à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids, la partie restante consiste en du Fe ; de plus, l'aiguille bainitique peut en outre contenir du P, du S, et 30 des impuretés inévitables. Dans l'aiguille bainitique décrite dans la présente invention, de préférence le pourcentage en poids de P est de 0,005 à 0,020 % en poids, et le pourcentage en poids de S est de 0,001 à 0,008 % en poids.

Comme montré sur la figure 2, dans la présente invention, une surface de roulement de champignon de rail 101 fait référence à la partie supérieure du champignon de rail qui vient en contact avec les roues, un côté de travail du champignon de rail 102 fait référence à la partie du champignon de rail qui subit la charge de compactage et d'impact des roues lorsqu'un train circule sur le rail après que le champignon de rail a été fraisé et assemblé dans un branchement, et un côté de non-travail du champignon de rail 103 fait référence au côté opposé du champignon de rail qui ne vient pas en contact avec les roues, le champignon de rail 1 comprenant la surface de roulement de champignon de rail 101, le côté de travail du champignon de rail 102 et le côté de non-travail du champignon de rail ; un patin de rail 2 fait référence à la partie inférieure de l'aiguille, et un centre du patin de rail 201 fait référence à la partie centrale du patin de rail 2 ; une âme de rail 3 fait référence à la partie qui relie le champignon de rail 1 au patin de rail 2 d'une aiguille. Ces pièces ne seront pas détaillées davantage ici, étant donné qu'elles sont bien connues des hommes du métier. L'aiguille bainitique proposée dans la présente invention présente des propriétés remarquables de ténacité et de résistance à l'usure, et est de ce fait avantageuse pour prolonger la durée de vie des aiguilles, en particulier des branchements de voie ferrée de transport lourd qui sont utilisés dans des conditions de fonctionnement difficiles. La présente invention propose en outre un procédé pour produire des aiguilles bainitiques résistantes à l'usure, comprenant : l'obtention d'une aiguille avec une chaleur résiduelle par laminage de finition d'un matériau en acier, le refroidissement de l'aiguille avec la chaleur résiduelle jusqu'à une température située dans la plage de température du domaine de phase austénitique, et ensuite le refroidissement du champignon de rail de l'aiguille par un refroidissement accéléré, les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail étant respectivement de 3,0 à 5,0°C/s, et la vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail du champignon de rail étant plus élevée que les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail de 1,0°C/s ; le traitement de ladite aiguille par revenu à 300 à 350°C pendant 7 à 9 heures lorsque la température au centre de la surface de roulement du champignon 302 1 3 3 1 8 de rail tombe à 200 à 250°C, et ensuite le refroidbsement de l'aiguille à la température ambiante, pour obtenir une aiguille bainitique. Dans la présente invention, de préférence la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail sont refroidis à la 5 même vitesse de refroidissement accéléré. Dans la présente invention, l'aiguille avec une chaleur résiduelle fait référence à une aiguille qui est obtenue par laminage de finition d'un matériau en acier et qui possède une chaleur résiduelle (n'a pas encore été complètement refroidie) ; de préférence, dans la présente invention, la température de l'aiguille avec une chaleur 10 résiduelle est plus élevée que la plage de température du domaine de phase austénitique. Dans la présente invention, sauf indication contraire spécifique, le refroidissement fait référence à un refroidissement naturel, tandis que le refroidissement accéléré fait référence au refroidissement forcé d'un objet cible. 15 Dans la présente invention, la température est mesurée avec un thermomètre infrarouge. Dans la présente invention, de préférence la température de l'aiguille au début du refroidissement accéléré (c'est-à-dire, la température initiale de refroidissement) est de 800 à 920°C. 20 Ci-dessous, les raisons pour les réglages des paramètres de traitement vont être détaillées. Les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail sont fixées à 3,0 à 5,0 °C/s, et la vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail du 25 champignon de rail est fixée de manière à être plus élevée que les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail de 1,0°C, parce que, si des milieux de refroidissement accéléré qui atteignent la même vitesse de refroidissement accéléré sont appliqués à la surface de roulement du champignon de rail et aux deux côtés, la 30 vitesse de refroidissement du côté de travail est plus faible, c'est-à-dire que la réalimentation en chaleur à partir de la partie de coeur est plus forte, étant donné que le côté de travail du champignon de rail a une plus grande aire spécifique et une plus grande capacité calorifique ; par conséquent, le côté de travail du champignon de rail est refroidi à une vitesse beaucoup plus faible que la surface de roulement du 302 1 3 3 1 9 champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail, et de ce fait l'aiguille fléchit vers un côté, c'est-à-dire qu'un phénomène de flexion latérale se produit. Ce phénomène non seulement a un impact fort sur la procédure de redressement suivante et résulte en des situations anormales telles qu'une rupture 5 lors du redressement, etc., mais entraîne également une augmentation importante de la contrainte résiduelle au centre du patin. Par conséquent, l'aiguille ne satisfait pas à la spécification. Les inventeurs ont découvert que le problème ci-dessus peut être résolu si la vitesse de refroidissement accéléré est augmentée de façon appropriée pour le côté de travail du champignon de rail dans le processus de refroidissement 10 accéléré. La vitesse de refroidissement accéléré devrait être augmentée de 1,0°C/s. Ci-dessous, la raison du réglage à 3,0 à 5,0°C/s de la vitesse de refroidissement accéléré pour la surface de roulement de champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail va être expliquée : si la vitesse de refroidissement accéléré est inférieure à 3,0°C/s, la température de la couche de 15 surface du champignon de rail ne diminue plus ni même n'augmente après une période au cours du refroidissement accéléré, en raison de la réalimentation en chaleur à partir de la partie de coeur du champignon de rail, et par conséquent l'objectif de refroidissement accéléré ne peut être atteint ; si la vitesse de refroidissement accéléré est supérieure à 5,0°C/s, des structures martensitiques 20 peuvent être formées dans la couche de surface du champignon de rail en raison de la vitesse de refroidissement élevée, et par conséquent la sécurité de fonctionnement du branchement peut être compromise. Lorsque la température au centre de la surface de roulement de champignon de rail tombe à 200 à 250 °C, l'aiguille obtenue est traitée par revenu à 300 à 350 °C pendant 7 à 9 heures, et ensuite l'aiguille est 25 refroidie à la température ambiante. Par analyse, les inventeurs pensent que la raison du résultat ci-dessus est que si la température finale de refroidissement accéléré est supérieure à 250 °C, bien que de fines structures bainitiques aient été obtenues dans la couche de surface du champignon de rail, des structures bainitiques grossières apparaissent dans la partie de coeur du champignon de rail, en 30 particulier dans une zone à 30 mm ou davantage du champignon de rail, et, finalement, la performance de la partie de lame d'aiguille est affectée, et la performance de fonctionnement globale du branchement ne peut pas être améliorée ; si la température finale de refroidissement accéléré est inférieure à 200°C, le pourcentage de martensite dans une zone de la couche de surface du champignon 302 1 3 3 1 10 de rail à une profondeur spécifique est augmenté ; par conséquent, la ténacité et la plasticité de l'aiguille sont sévèrement dégradées, ou même l'aiguille ne peut pas être utilisée. Si la température de revenu est inférieure à 300°C, la ténacité et la plasticité de l'acier sont sévèrement dégradées, en particulier à basse température, 5 et par conséquent, la propriété de haute ténacité de l'aiguille bainitique ne peut pas être utilisée ; de plus, étant donné que les carbures ne peuvent pas précipiter efficacement à partir de l'acier, la propriété de résistance à l'usure de l'aiguille ne peut pas être améliorée ; si la température de revenu est supérieure à 350°C, bien que la ténacité et la plasticité augmentent encore, la résistance et la dureté diminuent 10 ; par conséquent, il est difficile d'obtenir une aiguille avec une excellente performance globale. La durée du revenu est fixée à 7 à 9 heures, parce que, par rapport aux rails en acier ordinaire, le temps nécessaire pour le traitement de revenu est plus long pour les aiguilles, étant donné que les aiguilles ont un poids unitaire plus élevé et une 15 plus grande section transversale ; si le revenu est plus court que 7 heures, les carbures dans l'acier, en particulier les carbures dans une zone profonde du champignon de rail, ne peuvent pas précipiter comme attendu, et par conséquent l'objet de la présente invention ne peut pas être atteint ; si le revenu est plus long que 9 heures, le revenu excessivement long n'apporte pas d'avantages significatifs étant 20 donné que la précipitation des carbures dans l'acier est déjà achevée et que l'objectif du revenu a déjà été atteint. Après le traitement de revenu, l'aiguille est déchargée et ensuite refroidie par refroidissement par air à la température ambiante, de manière à obtenir l'aiguille bainitique décrite dans la présente invention. De préférence, dans le procédé décrit dans la présente invention, l'acier 25 contient 0,15 à 0,30 % en poids de C, 1,00 à 1,80 % en poids de Si, 1,50 à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 à 1,00 % en poids de Cr, et 0,20 à 0,50 % en poids de Mo, et le pourcentage en poids total de Mn et de Cr correspond à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids, la partie restante consiste principalement en du Fe, et l'acier peut en outre contenir du P, du S, le reste étant du Fe et des impuretés inévitables ; 30 de préférence le pourcentage en poids de P étant de 0,005 à 0,020 % en poids, et le pourcentage en poids de S étant de 0,001 à 0,008 % en poids. Ci-dessous, les raisons pour confiner les principaux éléments chimiques dans l'aiguille décrite dans la présente invention dans les plages ci-dessus vont être expliquées : 302 1 3 3 1 11 Le carbone (C) est l'élément le plus important pour que l'acier bainitique présente une adéquation de ténacité et une performance mécanique globale excellentes. Lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,15 % en poids, il est incapable de faire jouer pleinement l'effet de renforcement, et la rigidité de l'aiguille 5 est trop faible, les carbures dans l'aiguille ne peuvent pas précipiter efficacement, et la résistance à l'usure ne peut pas être améliorée de manière efficace ; lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,30 % en poids, par le processus décrit dans la présente invention, la résistance de l'acier est trop élevée, tandis que la ténacité et la plasticité sont trop faibles ; par conséquent, la résistance à la fatigue de contact de 10 l'acier est sévèrement affectée parce que le pourcentage de carbures est trop élevé, et la sécurité d'application de l'aiguille est compromise. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en carbone est limitée à 0,15 à 0,30 % en poids. En tant qu'élément supplémentaire important dans l'acier, le silicium (Si) existe généralement dans la ferrite en solution solide, et peut améliorer la résistance de la 15 structure. Lorsque la teneur en silicium est inférieure à 1,00 % en poids, pour l'acier bainitique, d'une part, l'effet de renforcement n'est pas significatif parce que la concentration en solution solide est faible ; d'autre part, de fins carbures ne peuvent pas être obtenus, et par conséquent l'objectif de contrôle structurel dans la présente invention ne peut pas être atteint ; lorsque la teneur en silicium est supérieure à 20 1,80 % en poids, la précipitation des carbures est complètement inhibée ; au lieu de cela, une grande quantité d'austénite résiduelle existe, et des défauts de surface peuvent apparaître ; par conséquent, la régularité du fonctionnement du train ne peut pas être assurée. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en silicium est limitée à 1,00 à 1,80 % en poids. 25 Le manganèse (Mn) peut diminuer significativement la température de transition initiale de la structure bainitique, améliorer la dureté des carbures, et est un élément supplémentaire important dans l'acier bainitique. Lorsque la teneur en manganèse est inférieure à 1,50 % en poids, il est difficile d'atteindre les effets actifs pour l'acier bainitique ; lorsque la teneur en manganèse est supérieure à 2,50 % en 30 poids, la dureté des carbures est trop élevée, et la propriété de résistance à la fatigue de l'aiguille est sévèrement dégradée. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en manganèse est limitée à 1,50 à 2,50 % en poids. En tant qu'élément de formation de carbures de taille modérée, le chrome (Cr) peut se lier avec le carbone dans l'acier pour former divers carbures ; de plus, le chrome est utile pour la répartir uniformément le carbone dans l'acier, diminuer la taille des carbures, et améliorer de ce fait la propriété de résistance à l'usure de l'aiguille. Lorsque la teneur en chrome est inférieure à 0,50 % en poids, la dureté et le pourcentage des carbures formés dans l'acier sont faibles, et les carbures se concentrent sous la forme de paillettes, ce qui nuit à l'amélioration de la propriété de résistance à l'usure de l'aiguille ; lorsque la teneur en chrome est supérieure à 1,00 en poids, le pourcentage de martensite dans l'acier est fortement augmenté, et par conséquent la sécurité de fonctionnement de l'aiguille ne peut pas être assurée. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en chrome est limitée à 0,50 à 1,00 % en poids. Le molybdène (Mo) a un effet remarquable pour diminuer la température de transition initiale de la structure bainitique, et est avantageux pour stabiliser et renforcer la structure bainitique. Lorsque la teneur en molybdène est inférieure à 0,20 en poids, il est difficile d'atteindre les effets mentionnés ci-dessus ; lorsque la teneur en molybdène est supérieure à 0,50 % en poids, l'efficacité de la transition de la structure bainitique est fortement diminuée, et par conséquent une structure bainitique idéale ne peut pas être obtenue dans le processus de refroidissement accéléré. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en molybdène est limitée à 0,20 à 0,50 % en poids.

Pour garantir que l'aiguille décrite dans la présente invention a une meilleure performance de fonctionnement, les inventeurs ont constaté que le pourcentage en poids total de Mn + Cr doit correspondre à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids. La raison est que le Mn et le Cr ont des effets similaires dans l'acier bainitique ; lorsque Mn + Cr < 2,20 % en poids, la résistance, la taille et le pourcentage de carbures dans l'acier ne peuvent pas satisfaire à l'exigence décrite dans la présente invention ; de plus, la dureté des carbures est faible, et une propriété de résistance à l'usure modérée ne peut pas être obtenue ; lorsque Mn + Cr > 3,00 % en poids, d'une part, la dureté des carbures est trop élevée ; d'autre part, une sévère ségrégation se produit localement dans l'aiguille, et par conséquent l'uniformité de la structure bainitique et la performance de la structure bainitique dans l'aiguille ne peuvent pas être assurées. Par conséquent, dans la présente invention, le pourcentage en poids total de Mn + Cr est limité pour correspondre à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids.

De préférence, dans le procédé décrit dans la présente invention, le milieu de refroidissement accéléré est sélectionné parmi un ou plusieurs parmi l'air comprimé, un mélange air-eau et un mélange gaz-huile. Dans la présente invention, l'aiguille avec une chaleur résiduelle peut être préparée par n'importe quel procédé existant dans l'art antérieur. Par exemple, l'aiguille avec une chaleur résiduelle peut généralement être préparée par les étapes suivantes : traitement d'un matériau en acier qui contient les composants chimiques mentionnés ci-dessus par fusion dans un convertisseur ou un four électrique, affinage dans un four-poche, traitement sous vide RH ou en poche, et coulée continue, pour obtenir une billette de coulée continue avec des dimensions spécifiques en section transversale ; ensuite, chargement de la billette de coulée continue dans un four à longerons mobiles, chauffage jusqu'à 1200 à 1300°C, et maintien à cette température pendant 3 heures ou plus, ensuite laminage de la billette d'acier sous forme d'une aiguille avec la section transversale requise ; ici, la température de laminage finale de l'aiguille est de 850 à 1000°C. Dans la présente invention, de préférence l'aiguille avec une chaleur résiduelle est dressée dans une ligne de laminage fonctionnant en continu au moyen d'un dispositif de retournement de l'acier, et la lame d'aiguille avec la chaleur résiduelle est amenée dans une unité de traitement thermique pour le refroidissement accéléré suivant. Selon un autre aspect, la présente invention propose en outre une aiguille bainitique obtenue avec le procédé pour produire une aiguille bainitique résistante à l'usure tel que décrit ci-dessus. Ci-dessous, la présente invention va être détaillée davantage dans certains modes de réalisation. Les composants chimiques et leurs teneurs dans les matériaux en acier utilisés dans les modes de réalisation Al à A6 et les échantillons comparatifs D1 à D6 dans la présente invention sont présentés dans le tableau 1, et le restant consiste en du Fe et des impuretés inévitables.

N° C Si Mn P S Cr Mo Mn+Cr A1, D1 0,24 1,62 1,95 0,012 0,004 0,76 0,20 2,71 A2, D2 0,19 1,18 2,50 0,014 0,003 0,50 0,32 3,00 A3, D3 0,15 1,80 1,50 0,010 0,003 1,00 0,41 2,50 A4, D4 0,23 1,64 1,77 0,012 0,003 0,68 0,50 2,45 A5, D5 0,26 1,00 2,18 0,009 0,004 0,56 0,39 2,74 A6, D6 0,30 1,30 1,87 0,014 0,005 0,91 0,24 2,78 Tableau 1: compositions des échantillons testés Après que le matériau en acier qui contient les composants énumérés ci- dessus a été laminé en une aiguille 60AT, l'aiguille est traitée par le procédé suivant, et les paramètres de traitement sont présentés dans le tableau 2. Le matériau en acier est soumis à un laminage de finition pour obtenir une aiguille avec une chaleur résiduelle ; ensuite, l'aiguille avec une chaleur résiduelle est refroidie dans la plage de température du domaine de phase austénitique, et ensuite le champignon du rail de l'aiguille est refroidi par un refroidissement accéléré ; lorsque la température au centre de la surface de roulement du champignon de rail est abaissée jusqu'à la température de refroidissement finale présentée dans le tableau 2, l'aiguille obtenue est traitée par revenu, et ensuite est refroidie à la température ambiante, pour obtenir une aiguille bainitique. Ainsi, la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail sont refroidis à la même vitesse de refroidissement accéléré. La vitesse de refroidissement accéléré citée dans le tableau 2 est la vitesse de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail, tandis que la vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail du champignon du rail n'est pas citée. La vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail du champignon de rail est plus élevée que la vitesse de refroidissement accéléré pour la surface de roulement du champignon de rail et le côté de non-travail du champignon de rail de 1,0°Gs.

Echantillon N ° Température Vitesse de Température de Température de Durée de de refroidissement refroidissement revenu / ° C revenu / h refroidissement accéléré 7° C/s finale /°C initiale /°C Invention Al 872 3,4 250 308 7,5 A2 908 3,9 245 300 7,0 A3 864 4,5 232 350 8,2 A4 835 3,0 217 337 7,9 A5 811 5,0 200 332 9,0 A6 806 4,1 234 345 8,7 302 1 3 3 1 15 Echantillons Dl L'aiguille laminée est refroidie à la température 308 7,5 comparatifs ambiante par refroidissement à l'air D2 300 7,0 D3 350 8,2 D4 337 7,9 D5 332 9,0 D6 345 8,7 Tableau 2 : Conditions de traitement des échantillons Les aiguilles bainitiques obtenues dans les modes de réalisation Al à A6 et 5 les échantillons comparatifs D1 à D6 sont testées, et les propriétés mécaniques sont présentées dans le tableau 3. En l'espèce, des tests d'usure sont effectués sur une machine de test d'usure MM200 pour tester la perte de poids moyenne résultant de l'usure. Les échantillons sont prélevés parmi les champignons de rail des aiguilles obtenues dans les modes 10 de réalisation Al à A6 et les échantillons comparatifs D1 à D6. Dans tous les tests d'usure, les parties inférieures de meulage sont constituées du même matériau. Les paramètres de test sont les suivants : Taille d'échantillon : échantillon rond et creux de 10 mm d'épaisseur et de 36 mm de diamètre 15 Charge de test : 150 kg Glissement : 10 % Matériau de partie inférieure de meulage opposée : acier pour roue avec une dureté 280 à 310 HB Vitesse de rotation : 200 tr/mn 20 Nombre total de cycles d'usure : 100.000 cycles La longueur moyenne des carbures, l'angle que forment les carbures et la ferrite bainitique et le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique sont obtenus par le procédé suivant : le prélèvement d'échantillons parmi les aiguilles obtenues dans les modes de réalisation Al à A6 et les aiguilles obtenues dans les 25 échantillons comparatifs D1 à D6 et la préparation d'échantillons de films d'une épaisseur 50 pm, la réduction de l'épaisseur par polissage électrolytique à deux jets, et ensuite l'indexation et l'observation de la morphologie des carbures, et la mesure de l'angle formé avec la ferrite bainitique sous un microscope électronique à transmission, la sélection des carbures avec un angle de 40 à 70° et une longueur de 0,05 à 0,5 pm, et la mesure de l'aire des carbures par estimation approchée. Étant donné que la morphologie des carbures varie considérablement dans les différents champs de vision, afin de garantir la précision de la mesure, les échantillons obtenus à partir de la même position d'échantillonnage sur une aiguille constituée du même matériau et traitée par le même processus devraient être observés dans au moins 20 champs de vision. Echantillon N° Propriété de traction Propriété Pourcen Longueur Perte de poids d'impact tag e carb de ures moyenne résultant de Aku/J / % des l'usure / g (à température carbures ambiante) /pm Rp0.2 Rm A Z /MPa /MPa /% /% Invention Al 1250 1470 14,5 45 98 0,84 0,41 0,5236 A2 1215 1410 15,0 52 105 0,81 0,06 0,5914 A3 1155 1320 17,0 58 118 0,72 0,33 0,6255 A4 1205 1450 14,0 44 102 0,65 0,22 0,5651 A5 1280 1510 13,0 39 76 0,92 0,39 0,4624 A6 1345 1590 12,5 40 72 0,99 0,28 0,4258 Echantillons D1 1060 1310 13,0 42 65 N/A / 1,4569 comparatifs D2 1025 1280 13,5 44 72 1,6851 D3 980 1220 15,0 52 88 1,7693 D4 1085 1300 12,5 38 69 1,5268 D5 1110 1320 12,0 36 55 1,3264 D6 1115 1340 11,0 36 48 1,2635 Tableau 3 : Propriétés mécaniques des échantillons Les aiguilles produites à partir du matériau en acier décrit dans la présente invention avec le procédé décrit dans la présente invention sont décrites dans les modes de réalisation Al à A6 ; les aiguilles produites à partir du matériau en acier décrit dans la présente invention avec le procédé de l'art antérieur sont décrites dans les échantillons comparatifs D1 à D6 ; dans les échantillons selon l'invention et les échantillons comparatifs, le même procédé est utilisé pour produire les aiguilles avec une chaleur résiduelle, et le procédé est connu des hommes du métier. Plus précisément, dans les échantillons selon l'invention et les échantillons comparatifs, un matériau en acier qui contient les composants chimiques mentionnés ci-dessus est traité par fusion dans un convertisseur, affinage dans un four-poche, traitement sous vide en poche, et coulée continue pour produire une billette de coulée continue avec des dimensions spécifiques en coupe transversale ; ensuite, la billette de coulée continue est amenée dans un four à longerons mobiles et chauffée jusqu'à 1.250 °C, et est maintenue à cette température pendant 4 heures ; ensuite, la billette d'acier est laminée en une aiguille avec une section transversale requise ; de cette manière, l'aiguille avec la chaleur résiduelle décrite dans la présente invention est obtenue. On peut voir à partir des résultats comparatifs dans les tableaux 1 à 3, dans des conditions de même composition chimique et de même processus de fusion et de laminage, que le traitement appliqué à l'aiguille avec la chaleur résiduelle après le laminage a une influence significative sur les propriétés finales de l'aiguille bainitique finalement obtenue, à savoir : avec le procédé décrit dans la présente invention, des carbures en forme de barres ou en forme de bandes ayant une longueur de 0,05 à 0,5 pm, les carbures étant orientés dans une direction selon un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction de l'axe principal de la ferrite bainitique, et représentant un pourcentage d'aire 1 %, précipitent à partir de la matrice de ferrite bainitique. La structure microscopique d'un échantillon prélevé à partir d'une aiguille bainitique produite à partir du matériau en acier décrit dans le mode de réalisation 1 de la présente invention avec le procédé décrit dans la présente invention dans un champ de vision sous un microscope électronique à transmission est montrée sur la figure 1, sur laquelle les zones en forme de barres ou en forme de bandes noires indiquent les carbures, tandis que les zones en gris cendré indiquent la ferrite bainitique. L'aiguille bainitique présentée dans la présente invention non seulement a une ténacité excellente, mais possède également une résistance à l'usure sensiblement améliorée dans les mêmes conditions, et est de ce fait avantageuse pour prolonger la durée de vie des aiguilles, en particulier des branchements de voie ferrée de transport lourd qui sont utilisés dans des conditions de fonctionnement difficiles. Bien que quelques modes de réalisation préférés de la présente invention soient décrits ci-dessus, la présente invention n'est pas limitée aux détails de ces modes de réalisation. Les hommes du métier peuvent réaliser des modifications et des variantes de la méthode technique de la présente invention, sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. De plus, il convient de noter que les caractéristiques techniques spécifiques décrites dans les modes de réalisation ci-dessus peuvent être combinées en n'importe quelle forme appropriée, à condition qu'il n'y ait pas d'incompatibilité. Pour éviter une répétition inutile, les combinaisons possibles ne sont pas décrites spécifiquement dans la présente invention.5

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Aiguille bainitique résistante à l'usure, contenant de la ferrite bainitique sous forme de paillettes dans la plage de 30 mm de profondeur de la couche de surface du champignon de rail (1) à la partie de coeur et des carbures en forme de points et/ou en forme de barres d'une longueur moyenne de 0,05 à 0,5 pm dispersés sur la ferrite bainitique, les carbures étant orientés dans une direction formant un angle de 40 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe de la ferrite bainitique, dans laquelle le rapport d'aire entre les carbures et la ferrite bainitique est de 0,001 à 1:100.
2. 2. Aiguille bainitique selon la revendication 1, dans laquelle l'aiguille bainitique contient 0,15 à 0,30 % en poids de C, 1,00 à 1,80 % en poids de Si, 1,50 à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 à 1,00 % en poids de Cr, et 0,20 à 0,50 % en poids de Mo, et le pourcentage en poids total de Mn et de Cr correspond à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables.
3. 3. Procédé pour produire des aiguilles bainitiques résistantes à l'usure, comprenant: l'obtention d'une aiguille avec une chaleur résiduelle par laminage de finition d'un matériau en acier, le refroidissement de l'aiguille avec une chaleur résiduelle jusqu'à à une température située dans la plage de température du domaine de phase austénitique, et ensuite le refroidissement du champignon du rail (1) de l'aiguille par un refroidissement accéléré, dans lequel, les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement (101) du champignon de rail (1) et le côté de non-travail (103) du champignon de rail (1) sont respectivement de 3,0 à 5,0°C/s, et la vitesse de refroidissement accéléré pour le côté de travail (102) du champignon du rail (1) est plus élevée que les vitesses de refroidissement accéléré pour la surface de roulement (101) du champignon du rail (1) et le côté de non-travail (103) du champignon du rail (1) de 1,0°C/s, le traitement de l'aiguille obtenue par revenu à 300 à 350 °C pendant 7 à 9 heures lorsque la température au centre de la surface de roulement (101) du champignon de rail (1) tombe à 200 à 250°C, et ensuite le refroidissement de l'aiguille à la température ambiante, pour obtenir une aiguille bainitique.
4. 4. Procédé de production selon la revendication 3, dans lequel le matériau en acier contient 0,15 à 0,30 % en poids de C, 1,00 à 1,80 % en poids de Si, 1,50 à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 à 1,00 % en poids de Cr, et 0,20 à 0,50 % en poids de Mo,et le pourcentage en poids total de Mn et de Cr correspond à 2,20 % en poids Mn + Cr 3,00 % en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables.
5. 5. Procédé de production selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le milieu de refroidissement accéléré est sélectionné parmi au moins l'un parmi l'air comprimé, un mélange air-eau et un mélange gaz-huile.
6. 6. Aiguille bainitique produite par le procédé de production selon l'une quelconque des revendications 3 à 5.