BE429714A - - Google Patents

Description

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  MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Perfectionnements aux roues et à leur procédé de fabrication. 



   La présente invention a pour but de procurer une roue perfectionnée en acier forgé. Un autre but est de pro- curer un procédé perfectionné pour façonner cette roue. 



   Un autre but aussi est de procurer un procédé de traitement thermique d'une roue en acier forgé pour améliorer ses pro- priétés physiques. D'autres buts et avantages apparaîtront dans la description suivante plus.complète de l'invention. 



   En conformité des'buts spécifiés ci-dessus, on a imaginé un procédé perfectionné pour la fabrication de roues en acier forgé, dont ce qui suit est une description détaillée et complète. A propos de la description suivante on se reportera aux dessins annexés, dans lesquels:      
Figs. 1 à 8 représentent plusieurs phases de la fabrication d'une roue en acier forgé, et      

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Figs. 9 et 10 sont respectivement une coupe et une vue de côté de la roue achevée produite par ce procédé. 



   Les roues en acier forgé produites conformément à la présente invention sont faites en un acier ayant la composition suivante: 
Carbone 0,35 - 0,85   %   
Manganèse 0,50 - 1,00 % 
Silicium   0,40%   au maximum 
Soufre   0,05%   au maximum 
Phosphore 0,05% au maximum 
A cet acier de base on peut éventuellement ajouter un ou plusieurs des éléments suivants: 
Chrome jusque 1,50% 
Molybdène jusque   0,30   % 
Si on le désire, on peut faire entrer dans la com- position d'acier de l'aluminium et du titane comme agents désoxydants, et par conséquent ils peuvent y être contenus dans une proportion résiduelle variant depuis des traces jusqu'environ 0,05 % au maximum. 



   Dans la fabrication d'une roue en acier forgé au moyen d'un acier de la composition spécifiée ci-dessus, on produit d'abord un lingot rond 1 soit en le coulant, soit en laminant un lingot à la forme de blooms ronds de diamètre voulu. On découpe alors ces lingots ou blooms en tronçons de la longueur requise pour le façonnage des roues. 



  On laisse refroidir ces tronçons jusqu'à la température atmosphérique, on en débarrasse les surfaces extérieures de battitures et de défauts superficiels et on les prépare en vue de déformations mécaniques par décapage et ébarbage. 



  Puis on chauffe les tronçons ainsi préparés à une température d'environ   1200 C.,   préalablement à la déformation mécanique, et on façonne avec ces tronçons les roues forgées. 



   La déformation mécanique du lingot ou bloom 1 pour 

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 produire la roue de forme voulue est opérée en une suite d'opérations de forge. On place d'abord le lingot entre des matrices complémentaires 2 et 3 d'une presse à forger (fig.l) et on le comprime entre ces matrices à la forme la indiquée sur la fig. 2. La construction et le fonctionnement spéciaux des matrices 2 et 3 ou des matrices décrites ci-après ne font pas partie de la présente invention et il n'est pas nécessaire de les décrire davantage. 



   On dispose ensuite l'ébauche 1a entre une deuxième paire de matrices complémentaires 2a et 3a et on la comprime à la forme 1b (fig.   b.)   
Puis on dispose l'ébauche 1b dans une presse à poinçonner comportant une enclume 4, une contre-enclume 5 et un plongeur à poinçon 6 (fig. 4.) et dans cette presse on poinçonne l'ouverture centrale du moyeu de la roue. L'élément 7 représente le métal emporté par le poinçon 7 pendant le perçage de cette ouverture. 



   On élève à nouveau la température de la forme 1b à environ   1200 C.   et on en soumet le bandage et la toile à une opération de laminage respectivement à l'aide de deux paires de cylindres 8, 9 et 10, 11 (fig. 5) fonctionnant simultanément en substance comme c'est représenté. 



   De cette opération de laminage on peut faire passer la forme 1b soit à une presse à emboutir en cône (fig. 8), soit à une presse à poinçonner la toile (fig.6) avant de la faire passer à une presse à emboutir en cône (fig. 7). La presse à poinçonner la toile (fig.6) comporte une enclume 12, une contre-enclume 13 et un plongeur 14 portant plusieurs poinçons 15, 15, et dans cette presse on peut perforer la toile de la forme 1b comme on le désire. 



  Lorsque la forme 1b est soumise à une opération de poinçonnage de la toile comme sur la   fig.6,   il est usuel de soumettre 

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 l'ébauche lb à une opération d'emboutissage en cône au cours de laquelle on déplace la toile   angulairement   par rapport au plan médian horizontal de l'ébauche lb et on déplace le bandage de la roue de manière à en amener le bord supérieur en ligne avec le plan horizontal médian du moyeu de la roue, en substance comme c'est indiqué sur la fig. 7. La presse à emboutir employée comporte une enclume 16, un plongeur à étampe conique 17 et un plongeur latéral ou plongeur à centrer le bandage,18, qui agit sur la matrice annulaire 19 pour amener à la position correcte le bandage constitué par la périphérie de l'ébauche lb.

   Pendant le fonctionnement, on abaisse d'abord le plongeur à emboutir 17 jusqu'à la position représentée, de manière à déplacer angulairement la toile et le bandage de l'ébauche lb par rapport au moyeu. 



  Ensuite on abaisse le plongeur à centrer le bandage, 18, qui attaque la matrice annulaire 19 et la serre contre la périphérie du bandage de manière à centrer celui-ci. 



   Si l'opération de poinçonnage de la toile (fig.6) est omise, on peut disposer l'ébauche lb dans la presse à emboutir en cône de la fig.8 et on peut en déplacer la toile et le bandage par rapport au moyeu en substance comme c'est indiqué. Sur la fig. 8 l'ébauche lb est représentée entre une enclume 20 et une étampe d'emboutissage en cône 21 de cette presse à emboutir. 



   La roue en acier forgé achevée obtenue au moyen de l'ébauche lb mécaniquement déformée dans la presse à emboutir de la fig.8 est représentée sur les figs. 9 et 10 qui en montrent respectivement une coupe et une vue de côté. 



  Le moyeu, la toile et le bandage sont désignés respective- ment par les lettres de référence H, W et T. 



   A la fin de la série des opérations de forge décrites ci-dessus, la roue fabriquée des figs. 9 et la,      

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 ou la roue indiquée sur   la'fig.7,   a une température d'en- viron 900  à 1100 C. Dans la pratique courante on dispose la roue sur des lits de refroidissement où on les laisse refroidir jusqu'à la température atmosphérique, après quoi on usine ou on façonne les roues pour leur donner la confi- guration finale voulue. 



   Toutefois, on a trouvé que les roues en acier forgé ainsi fabriquées peuvent être notablement améliorées au point de vue de leur solidité et de leur résistance à l'usure, si on les soumet à un procédé de traitement ther- mique et de refroidissement avant de procéder à l'usinage final, lequel procédé est destiné à en affiner la texture granulaire pour en éliminer la plupart des tensions dues au façonnage et au refroidissement, et à empêcher qu'il s'y produise des tensions de refroidissement tendant à dévelop- per des fissures et ruptures internes durant le service ultérieur de ,la roue. 



   Suivant la présente invention, on ne laisse refroidir sur le lit de refroidissement la roue forgée ou façonnée que jusqu'au moment où la température de ses éléments plus lourds, tels que le moyeu et le bandage, descende pour chacun de ces éléments en-dessous de la zone thermique dite "critique", mais avant qu'aucune partie de la roue ne se refroidisse à une température aussi basse que celle dite "température de formation de   martensité"   (environ 400 C.) On réchauffe la roue entière à des tem- pératures légèrement supérieures à la "zone thermique cri- tique" et on laisse refroidir ensuite la roue à une allure au moins aussi rapide que celle se manifestant dans l'air circulant librement,

   jusqu'à ce que tous les éléments de la roue atteignent une température comprise dans les limites de 350 et   550C.   Puis on réchauffe à nouveau les roues, 

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 lentement, à une température comprise entre les limites de 
450 et 600 C. et on les place alors sous des couvercles ou hottes appropriés où elles se refroidissent à des tempé- ratures approximativement atmosphériques (40 à 100 C.) à une allure plus lente que l'allure de refroidissement normale dans l'air circulant librement. 



   Par la première phase de ce procédé de traitement, on permet à la composition de l'acier, pendant le refroidis- sement consécutif à la déformation mécanique, de subir la transformation d'austénite en ferrite, mais avant que la température tombe suffisamment pour donner lieu à la formation de martensite, on interrompt le refroidissement et on réchauffe la roue à une température juste supérieure à la zone thermique critique, de manière à retransformer la texture de l'acier en austénite. L'austénite ainsi formée a un grain relativement fin en comparaison de celui existant à la fin de l'opération de déformation mécanique. 



   On permet ensuite à l'austénite à grain fin de repasser par la zone thermique critique à une allure se rap- prochant de l'allure normale pour le refroidissement dans l'air circulant librement, après quoi l'austénite à grain fin se reconvertit ou se retransforme en texture ferritique à grain fin. La texture à grain fin ainsi obtenue dans tout le volume de la roue est, toutes proportions gardées, plus solide que la texture à grains plus gros ou à grains non uniformes existant d'ordinaire dans ces roues en acier forgé conformes à l'expérience de la technique plus ancienne. 



   Pour   empêcher   la formation de toute quantité im- portante de martensite avec ses effets de durcissement connexes, on interrompt le refroidissement de la roue avant qu'aucune des parties de la roue ne se refroidisse à des températures inférieures à 650 C. Ensuite, pour s'assurer d'un intervalle de temps approprié pendant lequel la totalité r 

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 de l'acier peut subir la transformation en texture sorbitique, on réchauffe lentement la roue à une température comprise dans les limites de 450 et 600 C. et on maintient la roue à cette température pendant un laps de temps qui permet à l'acier de subir une transformation sensiblement complète en structures ferritiques (sorbitiques) autres que la martensite. 



   Puis on laisse refroidir la roue à une;allure plus lente que l'allure de refroidissement normale dans l'air libre,destinée à permettre un relâchement de sensiblement toutes les tensions et tous les efforts internes inhérents à la transformation d'austénite en ferrite, ou une réduction de ces tensions et efforts à un ordre d'intensité si faible que, durant le service ultérieur de la roue, le développement de fissures et crevasses intérieures soitsensiblement empêché. 



   L'allure exacte employée dans la dernière phase de refroidissement dépend en partie, pour toute composition d'acier donnée comprise dans les limites précitées, de la grandeur, de la forme et de la configuration de la roue et de la masse de ses éléments les plus lourds,.et on la. choisit de manière à assurer une allure de refroidissement sensiblement uniforme à toutes les parties de la roue, afin qu'il ne se développe pas de tensions de refroidissement entre les éléments plus lourds et les éléments moins lourds, et de manière à assurer un gradient de température minimum entre l'intérieur et l'extérieur de ces éléments afin que les tensions et efforts intérieurs inhérents à ce gradient de refroidissement soient en substance éliminés. 



   Il est clair que le mode de refroidissement spécial requis pour atteindre les buts de la présente invention, savoir (a) pour affiner'la texture de grain et (b) pour supprimer les tensions de laminage et de refroidissement, 

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 peut être varié dans de larges limites sans s'écarter de la présente invention, selon la composition de l'acier et la roue particulière produite au moyen de cet acier. 



   A titre d'exemple d'exécution pratique de la pré- sente invention, mais sans en limiter en aucune manière la portée, on décrira ci-aprèsl'invention appliquée à la fa- brication de roues en acier forgé pour un service de trains ultra-rapides de conception récente. Ces trains sont construits en matériaux légers et sont profilés aérodyna- miquement pour des vitesses élevées allant jusque 190 kilo- mètres à l'heure. Les efforts de marche exercés sur ces roues à la grande vitesse sont énormes et l'usure par frottement à laquelle elles sont exposées dépasse notablement celle existant dans les conditions ordinaires. Il est très important que ces roues aient la résistance et la ductibilité maxima pour résister à ces efforts de marche et que leurs ban- dages aient une résistance à l'usure maximum.

   Naturellement, ces roues doivent aussi être sensiblement exemptes de tensions et d'efforts internes qui tendraient à développer par la suite des crevasses et fissures internes. 



   De préférence, les roues sont faites en un acier ayant la composition suivante: 
Carbone 0,40 à 0,75 % 
Manganèse 0,50 à 0,90 % 
Silicium 0,35% au maximum 
Soufre 0,04% au maximum 
Phosphore 0,04% au maximum 
Après achèvement des opérations de déformation mécanique décrites ci-dessus, la roue forgée est à une température de l'ordre de 920 à 1065 C. On dispose cette roue sur le lit de refroidissement et on la laisse refroidir, dans l'air circulant librement, jusqu'à ce que le moyeu et le 

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 bandage de la roue prennent une température de l'ordre de 400 à 700 C. A l'allure de refroidissement ordinaire dans l'air circulant librement, un acier de cette composition doit subir une transformation à environ 720 C.

   Toutefois, toutes les parties de la roue ne se refroidissent pas à la même allure ; plus lourd est l'élément, et plus lente est son allure de refroidissement. Par suite, la toile, qui est l'élément le plus mince, se refroidit plus rapidement que le bandage, et le moyeu se refroidit encore plus lentement. 



   Aussi surveille-t-on soigneusement les températures de la toile, et avant que cet élément se refroidisse au point d'atteindre la température de formation de martensite, on interrompt le refroidissement et on réchauffe la roue à des températures situées légèrement au-dessus de la zone thermique critique, qui pour la composition d'acier donnée est d'environ 800 à 850 C. 



   Les roue réchauffées sont maintenues à cette tem- pérature pendant un laps de temps au moins suffisent pour atteindre une température uniforme et on les replace sur le lit   drefroidissement   et les y laisse refroidir, dans l'air circulant librement, à une température non inférieure à   3500C.   et non supérieure à environ 550 C. 



   Afin d'éviter des gradients de température prononcés entre le bandage, la toile et le moyeu et pour maintenir sen- siblement identique l'allure de refroidissement de tous ces éléments, on préfère régler l'allure de circulation de l'air au droit de la roue en employant un four séparant cette roue de l'atmosphère et pourvu à son sommet et à son fond de volets appropriés pour régler la circulation de l'air à l'intérieur du four par dessus la roue. 



   Quand la température de la roue atteint l'ordre de grandeur de 350 à   550 C.,   on dispose à nouveau la roue dans un four approprié et on la chauffe lentement à une tempé- 

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 rature comprise entre les limites de 450 et 600 C., la durée de chauffage et de maintien à cette température étant d'au moins environ une heure et demie à deux heures. 



   Puis on retire la roue du four et on la, dispose sous une hotte ou un couvercle ou on peut produire une allure de refroidissement d'environ 50  par heure. On obtient le mieux cette allure de refroidissement en réglant l'allure de dissipation de chaleur à travers l'isolation thermique du couvercle, comme le comprendra toute personne initiée au métier, en employant à l'intérieur du couvercle un pyromètre pour déterminer les températures réelles qui y règnent. La manière exacte de produire ou d'obtenir cette allure particulière de refroidissement ne fait pas partie de la présente invention. On laisse refroidir la roue à cette'allure lente jusqu'à ce que la température se rapproche des températures atmosphériques (40 à   100 C.)   
La roue ainsi refroidie est alors prête pour l'usinage final aux dimensions et à la section voulues. 



  Si on le désire, cet usinage peut être opéré sous un fluide de refroidissement pour empêcher l'accumulation de tensions d'usinage exagérées. Après usinage, on peut recuire la roue en la traitant   thermiquement   à des températures d'environ 400 C. pour éliminer les tensions d'usinage. Pour éviter l'apparition de tensions de refroidissement, il faut ensuite refroidir lentement la roue recuite,sensiblement à la même allure que celle spécifiée ci-dessus. 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS --------------------------- 1.- Procédé pour façonner des roues en acier forgé, consistant à déformer mécaniquement au profil de cette roue une pièce à travailler servant d'ébauche, à une température située sensiblement au-dessus de la "zone thermique critique" de la composition d'acier dont est <Desc/Clms Page number 11> faite cette pièce à travailler, à refroidir cette roue à l'allure normale dans l'air circulant librement, par delà cette zone critique, à des températures notablement supérieures à la température de formation de martensite, à réchauffer la roue à des températures juste supérieures à cette zone thermique critique , à refroidir à nouveau par delà la zone critique à l'allure normale dans l'air circu- lant librement,

   à interrompre ce refroidissement avant qu'aucune partie.de la roue n'atteigne la température de formation de martensite, à égaliser la température de la roue à une température comprise dans les limites de 450 et 600 C. et à maintenir la roue à cette température pen- dant un laps de temps choisi de manière qu'il se produise une transformation sensiblement complète de l'austénite en structures ferritiques autres que la martensite, et à refroidir ensuite la roue à des températures approximati- vement atmosphériques à une allure plus lente que l'allure normale dansl'air circulant librement, qui est choisie de manière à maintenir un gradient de température voulu entre les parties intérieures et extérieures de la roue et entre les divers éléments de la roue,

   ayant pour effet d'empêcher l'apparition de-tensions et d'efforts internes d'une amplitude nuisible dans la roue refroidie.

   2.- Procédé suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que la température de déformation mécanique est de l'ordre de 900 à 1200 C., la température de refroidisse- ment minimum pour tout élément de la roue pendant la première phase de refroidissement est de 400 C., la température de réchauffage après cette première phase de refroidissement est de l'ordre de 800 à 850 C., l'allure de refroidissement pendant cette deuxième phase de refroidissement est réglée, en commandant l'allure de cirdulation de l'air le long de la roue;

   afin d'établir un refroidissement sensiblement <Desc/Clms Page number 12> uniforme entre les éléments de la roue plus lourds et plus légers, la température de refroidissement minimum pour tout élément de la roue pendant cette deuxième phase de refroi- dissement est de l'ordre de 350 à 550 C., la durée de chauf- fage et de maintien dans les limites de 450 et 600 C. après cette deuxième phase de refroidissement est d'une heure et demie à deux heures, et l'allure de refroidissement dans la troisième et dernière de ces phases de refroidissement est d'environ 50 C. par heure.

   3.- Procédé pour fabriquer des roues en acier forgé., consistant à former une pièce à travailler ébauchée ayant des dimensions et une configuration propres à être déformées pour constituer une roue, à chauffer la. pièce à travailler à une température d'environ 1200 C. et à la déformer mécaniquement aux dimensions, à la forme et à la configuration voulues sans permettre à la température de cette pièce à travailler de descendre en-dessous d'environ 900 C., à re- froidir la roue ainsi formée, dans l'air circulant librement, à une température inférieure à la température de transforma- tion, mais supérieure à la température de formation de mar- tensite, à réchauffer la roue à des températures voisines de la température critique supérieure, mais plus élevée que celle-ci, et à maintenir la.

   roue à cette température pendant un laps de temps choisi de manière à assurer la transformation complète des structures ferritiques en austénite, à refroidir à nouveau la roue dans l'air circulant librement jusqu'à ce que tous les éléments de la roue soient à une température comprise dans les limites de 350 et 550 C., à réchauffer la roue lentement à une température de l'ordre de 450 à 600 C. et à maintenir la roue à une température comprise dans ces limites pendant un laps de temps choisi de manière à permettre une transformation sensiblement complète de l'austénite en <Desc/Clms Page number 13> structures ferritiques autres que la martensite, et à refroi- dir ensuite la roue à des températures atmosphériques à une allure plus lente que l'allure de refroidissement dans l'air circulant librement.

   4. - Procédé pour fabriquer des roues en acier forgé consistant à former une pièce à travailler ébauchée de dimensions et de configuration propresà être déformées pour constituer une roue, à chauffer la pièce à travailler à des températures d'environ 12000C., à déformer mécanique- ment la pièce à travailler chauffée pour lui donner appro- ximativement ses dimensions, forme et configuration finales sans refroidir entretemps la pièce en-dessous de 900 C., à refroidir la. roue dans l'air circulant librement jusqu'à ce que la température.de ses éléments les plus lourds se re- froidissent en-dessous de la température de transformation, mais avant qu'aucun des éléments de la roue ne se refroidisse en-dessous de 400 C.

   à réchauffer la roue à des températures supérieures à la zone thermique critique, puis à refroidir à nouveau la roue dans l'air circulant librement jusqu'à ce que tous les éléments atteignent une température de l'ordre de 350 à 550 C. et à réchauffer la roue lentement à des températures de l'ordre de 450 à 600 C., à maintenir la roue à cette température pendant un laps de temps choisi de manière à permettre une conversion sensiblement complète de l'austénite en structures ferritiques stables à la tempé- rature maintenue, puis à refroidir la roue à une allure plus lente que l'allure de refroidissement dans l'air cir- culant librement jusqu'à ce qu'on obtienne une température au moins voisine de 40 à 100 C.

   5. - Procédé pour fabriquer des roues faites en acier contenant 0,40 à Q,75 % de carbone, 0,50 à 0,90 % de manganèse, au maximum 0,35 % de silicium et au maximum 0,04 % de soufre et 0,04 % de phosphore, ce procédé consistant à <Desc/Clms Page number 14> déformer mécaniquement une pièce à travailler ébauchée, pour lui donner approximativement les dimensions, la forme et la. configuration voulues de la roue, à des tem- pératures de l'ordre de 920 à 1200 C. sans lui permettre de se refroidir en-dessous de cette zone de températures, à refroidir la.

   roue ainsi formée, dans l'air circulant librement, jusqu'à ce que ses moyeu et bandage se trouvent à une température de 400 à 700"C. et avant que la toile de la roue se refroidisse à une température aussi basse que la température de formation de martensite, à réchauffer la roue entière à des températures de l'ordre de 800 à 850 C., à maintenir la.

   roue à cette température pendant un laps de temps choisi de manière que la, ferrite se transforme entièrement en austénite et qu'on obtienne partout des températures sen- siblement uniformes, à refroidir à nouveau la roue dans l'air circulant librement jusqu'à ce que tous les éléments de la roue'se refroidissent à une température de l'ordre de 350 à 550 C., à réchauffer la roue lentement jusqu'à ce que tous ses éléments soient à une température de l'ordre de 450 à 600 C. et à maintenir la roue à cette température, la durée de chauffage et de maintien à cette température étant d'au moins une heure et demie à deux heures, et à refroidir la roue à une allure d'environ 50 par heure jusqu'à ce qu'elle se refroidisse à des températures d'environ 40 à 100 C.

   6. - Procédé pour fabriquer des roues, en substance comme c'est décrit ci-dessus avec référence aux dessins annexés.

   7. - Comme produits industriels nouveaux, les roues en acier forgé fabriquées par le procédé ci-dessus décrit.