<Desc/Clms Page number 1>
"Perfectionnements à la fabrication des rails de chemins de fer et leurs accessoires "
La présente invention concerne les rails, aiguilles et croisements pour voies de chemins de fer et tramways et a pour objet un mode de fabrication de ces articles leur confé- - /il
<Desc/Clms Page number 2>
rant de l'élasticité et augmentant leur résistance à l'usure.
On a cherché par divers procédés à réduire lusure subie par les rails de chemins de fer et leurs accessoires - aiguilles et croisements; soit en modifiant la composition des aciers servant à leur fabrication soit par un traitement spé- cial du champignon, en vue d'augmenter sa dureté.
On a essayé d'autre part d'augmenter la rigidité des supports de voie et la solidité des éléments constitutifs des aiguilles et croisements. Si la première méthode a donné des résultats intéressants et a procuré une augmentation de la vie des rails ainsi que de leurs accessoires, la seconde méthode,a invariablement donné des résultats contraires.
De récentes expériences effectuées par les demandeurs ont montré que l'usure des rails et de leurs accessoires se trouve considérablement réduite si l'on prend soin de donner à l'ensemble de la construction le plus d'élasticité possible, et plusparticulièrement dans les cas où le centre de gravité du matériel roulant est très bas.
D'une façon générale, la présente invention envisage pour la construction des rails et accessoires de voies ferrées un acier de composition telle qu'un traitement thermique spécial lui confère une consistance élastique. t'acier étant défini comme étant une combinaison de fer avec des quantités relativement faubles de carbone, de si- licium et de manganèse, ses propriétés sont modifiées par des variations apportées aux proportions individuelles ou collec- tives dans lesquelles sont faites ces additions de carbone, de silicium ou de manganèse.
Le résultat envisagé peut être Qbtenu par des pourpor- tios indivielles variables des divers constituants, étant en- tendu que la proportion indignée de chaque élément est rapporta
<Desc/Clms Page number 3>
à l'ensemble : a) par diminution de la proportion de carbone et augmentation du manganèse, b) par diminution de la proportion de manganèse et augmentation du carbone, c) par diminution de la proportion de carbone et augmentation du manganèse et du chrome, et de chrome d) par dimunition de la proportion de mangan se e augmentation du carbone, e) par diminution de la proportion de manganèse et augmentation du carbone et du chrome, f) par diminution de la proportion de carbone ou de chrome et augmentation du manganèse, g)
par diminution de la proportion de chrome et augmentation du carbone et du manganèse, h) par diminution de la proportion de carbone ou de manganèse et augmentation du chrome, j) addition isolée ou combinée de l'un, de deux ou de plusieurs autres éléments tels gue le nickel, le vanadium, le molybdène, le titane, le tungstène ou le cuivre.
Les limites approximatives de composition doivent être les suivantes :
EMI3.1
carbone entre 0,30% et 0,50% Silicium d'une trace à 0,50% Fer Manganèse de 0,40 à '2.00 Fer en Chrome d'une trace à 2, 00fl, quantité suffisante Chrome d'une t race à ivoco pour parfaite Phosphore d'une trace à bzz pour parties Soufre d'une trace à 0,1% 100 parties L'alliage peut comporter des additions de l'un ou de plusieurs des éléments sui- vants : nickel, vanadium, molybdène, ti- tane, tungstène ou cuivre.
La composition courante d'un acier à rails moderne sera par exemple la suivante : carbone 0,65%, silicium 0,15%, manganèse 0,8%, soufre et phosphore présents à l'état d'impure-
<Desc/Clms Page number 4>
-tés. Nais un tel acier, sousmis à un traitement thermique con- forme a l'invention sera trop cassant et il faudrait réduire sa teneur en carbone à environ 0,40% pour obtenir le résultat désiré A une teneur en manganèse de 1,20% devrait correspondre une te- neur en carbone de 0,45%; dans le cas d'une addition de 0,55% de chrome par exemple, la teneur en manganèse restant de 0,8%, la proportion convenable de carbone serait également de 0,45/le.
Pour le dosage de la composition, il faut tenir compte non seulement du degré Brinell correspondant à la dureté désirée, mais aussi de l'épaisseur du rail; un rail de faible section traité suivant le procédé thermique objet de l'invention donnera les résultats désirés avec de moindres quantités de carbone et de manganèse et de chrome ou de manganèse ou de chrome qu'un rail de grosse section.
La trempe dite "à ressort" est définie par le fait que l'acer qui y est soumis est d'une composition telle que, chauffé à une température supérieure à la recalescende, c'est à dire de
680 à 900 0., pour être ensuite complètement immergé dans un @ milieu réfrigérant, présente alors dans toute sa masse un grain très fin, tout à fait exempt de martensite. Un tel acier, ainsi traité, voit sa dureté, déterminée en degrés Brinell,augmentde ainsi que son coefficient d'allongement et sa limite d'élastici- té.
Latrempe à ressort appliquée aux rails destinés à la cons- truction des voies de chemins de fer et de leurs accessoires, leur confère deux caractéristiques remarquables : LA} une aug- mentation de durée due à l'indioe Brinell élevé à la finesse du grain et au haut coefficient d'allongement. 2 ) une grande élas- tioité . La réunion de ces deux qualités procurent une construc- tion très robuste. D'autre part, comme la trempe "à ressort augmente la résistance à la traction, et la limite d'élasticité les supports de voie ainsi que les coussinets peuvent être dis-
<Desc/Clms Page number 5>
-posés à des écartements plus grands que d'habitude ce qui aug- mente encore l'élasticité de la voie.
L'invention porte, en fait, non sur la forme et la construction des voies et de leurs accessoires, (aiguilles et croisements), mais sur l'obtention d'un accroissement de leur élasticité et de leur souplesse.
L'invention trouvera plus particulièrement son appli- cation dans les travaux de réfection de croisements existants en permettant d'y réduire le nombre des coussinets et des éclis- -ses, ou même de les supprimer complètement,
Un des moyens applicables dans ce but consiste à éta- blir, avec des bouts de rails trempds conformément à l'invention, un croisement ordinaire fait de deux bouts de rails assemblés en V. avec des contre-rails de part et d'autre, en reliant les extré- mités de ces contre-rails de maniéré à former un triangle enca- drant le V. L'ensemble de cette construction, assemblé par des coussinets et des éclisses, fournit un tout très rigide, qu'il suffit de supporter par ses extrémités, d'où il résulte une grande souplesse.
L'invention est décrite plus à fond en référence au dessin annexé dans lequel :
Figure 1 est un plan schématique d'un croisement de rail ordinaire,
Figure 2 est un plan schématique d'un croisement re- construit conformément à l'invention.
Figure 3 est une coupe par 3-3 de figure 2.
EMI5.1
Jnfigure 1, sont les contre-rails, 5 et .6 les rails assemblés en pointe, cet ensemble formant le croisement gui est supporté par les coussinets 7, 8, 9,10 et 11.
]En figures2 et3, la construction est semblable sauf en ce qu'on a ajouté les bouts de rails 12, reliant les extrémités
<Desc/Clms Page number 6>
des contre-rails et qu'on a supprimé les coussinets Et et .9 tandis qu'on y a substitué une plaque d'appui 13 clairement représentée en figure 3 et située au-dessous des contre-rails de faon à soutenir la pointe du V. Cette plaque de support 13 repose par des ailes 14 sur les rails auxiliaires 12 mais elle peut aussi y être raccordée, de manière fixe ou amovible, par tout autre procédé.
On remarquera que le mode de construction représenté aux figures 2 et 3, en permettant de supprimer les coussinets 8 et 9, ne réduit en rien la force portante du croisement, mais lui confère par contre un supplément d'élasticité dans le sens horizontal aussi bien que dans le sens vertical..
Pour accroître cette élasticité dans le sens horizon- tal, et éviter la nécessité d'une triangulation rigide on fera en sorte que la liaison entre le rail auxiliaire 12 et les cpn- tre-rails, située au droit du coussinet 7, soit coulissante.
Il est bien entendu que les dessins annexés ne sont que des représentations schématiques de croisements et d'aiguil- lages conformes à l'invention, laquelle se prête à la construc- tion de voies et d'accessoires de toutes formes avec des rails trempés à ressort. Les supports destinés à soutenir la voie et ses accessoires peuvent être de toute forme convenant aux cas particuliers.
-La fabrication industrielle des rails trempés à res- sort conformément à l'invention est la suivante t
En ce quiconcerne la constitution des aciers à rails, les métallurgistes ont cherché ces dernières années à en aug- menter le plus possible la teneur en carbone sans risquer cepen- dant de donner au métal une fragilité excessive, La teneur li- mite en carbone ayant été atteinte, interviat alors le traitement thermique du champignon du rail. A l'époque où. on a introduit ce
<Desc/Clms Page number 7>
@ traitement thermique, considéré comme un perfectionnement pro- longeant la durée du service des rails, les aciers utilisés pré- sentaient une si grande teneur en carbone que le simple traite- ment thermique du rail entier n'était pas industriellement pos- sible.
En d'autres termes, le procédé de trempe courent consis- tant à immerger le métal chauffé au rouge dans un liquide réfri- gérant donnait un produit trop cassant pour satisfaire aux con- ditions réglementaires officielles; les opérations de cémenta- tion et de recuit nécessaires pour y satisfaire conduisaient d'au- tre part à des conditions industriellement impraticables, d'au- tant plus que subsistait toujours le risque de voir le métal con- server de la martensite. On a bien proposé de déterminer par l'a- nalyse la composition des aciers à rails se prêtant le mieux aux traitements thermiques, mais on n'a pâmais encore cherché à choi- sit un traitement thermique simple, industriellement pratique, pour déterminer ensuite la composition de l'acier convenant à ce 'procédé.
Toutes les tentatives précédentes on procédé inversement, c'est à dire en cherchant à adapter le traitement à la composition d'acierdisponible.
Le laminage des rails en acier à très haute teneuren carbone correspondant aux prescriptions actuellement en vigueur, s'il n'est pas immédiatement suivi d'une manipulation scienti- fiquement réglée donne naissance dans la masse à des crevasses ou ruptures dénommées criques, défauts qui s'accentuent sous l'action du traitement de cémentation.
La présence de ces défauts dans les rails est très grave, c'est à eux qu'il faut le plus souvent attribuer les ruptures de voies,
Les recherches et les essais effectués par les deman- deurs ont démontré que si l'on a soin de doser la composition ;de l'acier @@ préalable. les rails soumis à un simple traitement thermique se trouvent trempés à ressort et sont tout à fait exempts des défauts ci-dessus mentionnés sans nécessiter de
<Desc/Clms Page number 8>
manipulations supplémentaires extraordinaires.
Bien plus, on n'est pas parvenu à produire artificiellement les dits défauts dans des rails fabriqués selon le procédé objet de l'invention. bien que leur degré de dureté déterminé par la méthode Brinell se soit trouvé au moins égal à celui des rails présentant la teneur maxima admissible en carbone.
Tel type de rail, fait d'un acier contenant 0,65 % de carbone, chauffé à 800 0 et immergé brusquement dans un agent réfrigérant tel que de l'huile deviendra trop cassant pour résister aux essais officiels de rupture.
'Le même type de rail, fait d'un acier ne contenant que 0,4% de carbone, soumis au même traitement thermique, ac- quéra la trempe à ressort et supportera avec succès les épreu- ves officielles.
'La composition que doivent avoir les aciers servant à la fabrication des rails conformes à l'invention varie sui- vant le procédé métallurgique employé pour la préparation de cet acier, telle teneur en carbone donnant, par un procédé méun acier tro cassant' qui,fabrique par un autre procédé donnera un, allurgique n acier satisfaisant.
La méthode à suivre pour obtenir la trempe à ressort, désirée d'un acier à rails, obtenu par un procédé donné, consiste à choisir l'un ou l'autre des modes de simple refroidissement in- diqués ci-dessous et à déterminer ensuite, par des épreuves ex- périmentales, les teneurs en carbone et en manganèse donnant la dureté recherchée.
Si, par exemple, on veut produire un acier à rails de dureté Brinell égale à 270, et que le procédé métallurgique de fabrication soit le fou électrique, il faudra régler la ( teneur en carbone à 0,41 %, la teneur en manganèse à environ
I% la teneur en siliciumà environ 0,20% laissant subsister les quantités admissibles de soufre et de phosphore.
<Desc/Clms Page number 9>
Si d'autre part on veut produire un acier a sils de dureté Brinell 240 par le procédé au four basique ordinaire, la teneur en carbone devra être d'environ 0,43% la teneur en man- ganèse 0,75% la proportion de silice 0,10% avec les traces ad- missibles de soufre et de phosphore.
Lorsque les rails faits d'un acier de composition détermina pour la trempe à ressort quittent le laminoir et sont coupés de longueur encore chauds, ils se trouvent à une tempéra- ture supérieure au point de recalescence et peuvent être immergés dans le liquide réfrigérant sans réchauffage supplémentaire.
Le liquide réfrigérant peut être de l'huile ou de l'eau portée à une température voisine de l'ébullition, ou à la tempé- rature d'ébullition entretenue par des agents extérieurs ou par incorporation de vapeur saturée ou surchauffée, cette eau pouvant contenir en solution des sels ou des liquides élevant son point d'ébullition ou tout autre liquide.
Le rail, se trouvant à une température supérieure au point de recalescence est alors entièrement immergé dans le li- guide comme spécifié ci-dessus et il est maintenu dans ce bain jusqu'à ce que la température ait baissé au-dessous de la tempé- rature d'inflammation de l'huile ou à la température du liquide du bain si ce liquide est de l'eau ou autre.
Pour la fabrication des coisements et autres accessoires il parait plus commode de les construire avec des éléments coupés dans des rails non traités, puis d'effectuer la trempe une fois l'assemblage exécuté. Les rails destinés à cet usage seront faits d'un acier de composition dosée, refroidi naturellement au sortir du laminoir sans passer par le bain de trempe.
Pour tremper à ressort les bouts de rails constituant les éléments des accessoires, on réchauffe les pièces toutes mon-
<Desc/Clms Page number 10>
-fées dans un four convenable donnant une chaleur régulière, pour les porter à une température supérieure au point de ré- calescence, puis on immerge chaque pièce dans le liquide comme expliqué ci-dessus.
On constate que le rail retiré du bain réfrigérant a acquis la trempe à ressort, c'est à dire que sa structure est d'un grain fin, homogène dans toute la masse et qu'il est exempt de martensite.
Sa dureté, exprimée en degrés Brinell e augmenté ainsi que son coefficient d'allongement et sa limite d'élasti- cité.
La comparaison des propriétés physiques d'un acier à rails ordinaires réglementaires contenant 0,65% de carbone avec un acier fabriqué conformément à l'invention fournit les ta constations suivantes :
L'acier officiel est de contexture perlitique, sa duè reté en degrés Brinell est d'environ 230, sa résistance a la traction de 40 kg, par mm2 et sa limite d'élasticité voisine de 78,5 kg par mm2 alors que l'acier fabriqué suivant le pro- cédé de l'invention a une structure scorbitique, sa dureté en degrés Brinell est de 270, sa résistance à la traction de 55kg. par mm2 et sa limite d'élasticité de 92,5 kg. par mm2.
Les voies et leurs accessoires construits conformé.. ment à l'invention peuvent consister partiellement en éléments trempés a ressort complétés par d'autres éléments aits de mé- tal ordinaire (non trempé ou impossible à tremper) suivant les cas d'espèce.
L'invention d'ailleurs n'est pas limitée aux formes et détails de construction représentés et décrits, qui peuvent varier suivant les cas.