Procédé pour traiter thermiquement un champignon de rail et appareil pour la mise en #uvre de ce procédé La présente invention se rapporte à un procédé pour traiter thermiquement un champignon de rail et à un appareil pour la mise en aeuvre de ce procédé.
Les rails usuels traités thermiquement sont sou mis à une si grande pression superficielle et à de tels efforts de flexion et de cisaillement répétés lors de leur emploi, que lorsque la couche trempée est mince, elle s'écaille souvent, ce qui rend les rails inutilisables. Par suite, pour empêcher un tel écail lage, il est important de donner à la couche traitée thermiquement une profondeur d'au moins 15 mm.
Lors du traitement thermique par le procédé usuel de chauffage à la flamme, du fait qu'on em ploie un chauffage extérieur au moyen de brûleurs afin que la température puisse être élevée au-dessus du point transformation A1 de l'acier au cas où la couche a une profondeur d'au moins 15 mm, la tem pérature dans la partie superficielle du rail devient beaucoup plus élevée que le point de transformation et atteint une valeur supérieur à 10000 C. Par consé quent, lorsque le rail est refroidi brusquement à par tir d'une température si élevée, il se produit souvent des défauts ; par exemple, le rail se fêle lors du refroidissement, la structure du rail prend un grain grossier et les propriétés mécaniques sont altérées.
D'autre part, le chauffage à induction électrique uti lisé dans le procédé selon la présente invention est, comme l'on sait, un chauffage interne dans lequel un chauffage par courants de Foucault est effectué par un courant secondaire passant à travers une profon deur définie par la formule de Steinmetz. En raison du fait que l'élévation de température est très lente au-dessus du point A., (point de transformation ma gnétique de l'acier, différent du point de transfor mation indiqué ci-dessus), lorsqu'on se rapproche de l'intérieur à partir de la surface du champignon du rail, le gradient de température est beaucoup plus faible que lors du durcissement à la flamme.
Par suite, la structure après le traitement thermique est si serrée que la solidité augmente et que les efforts de tension thermique diminuent. Ainsi, le chauffage à induction est très favorable dans le cas où la couche durcie a une profondeur supérieure à 15 mm.
Il est favorable, comme le montre l'usage, de durcir seulement la partie du rail qui est en contact avec les roues, c'est-à-dire seulement la couche super ficielle du champignon du rail, de manière à aug menter sa résistance à l'usure. Cependant, dans le traitement thermique pour durcir et faire revenir le champignon d'un rail de manière à obtenir une struc ture sorbitique d'une dureté Shore d'environ 50 et une bonne résistance à l'usure sans sacrifier la téna cité, un grand effort de tension est produit en raison de la forme particulière du rail. Par suite, le traite ment thermique est en général difficile à effectuer.
Dans le procédé habituel pour traiter les rails thermiquement, dans lequel on ne durcit que la face supérieure et les flancs du champignon du rail, après le durcissement, le rail fléchit considérablement avec le champignon vers l'extérieur en raison de la com binaison de la dilatation et de la contraction ther miques et de la dilatation et de la contraction pro duites par l'effort de transformation et, lorsque le rail est recuit pour donner de la sorbite, il fléchit avec le champignon vers l'intérieur.
On a déjà proposé un procédé pour empêcher un tel fléchissement des rails produit par le durcissement des champignons, procédé suivant lequel, en même temps qu'on durcit la couche superficielle du cham pignon, on durcit également la couche superficielle du patin qui n'a pas besoin d'être durcie, de sorte que les deux parties durcies peuvent s'opposer l'une à l'autre et empêcher le fléchissement.
En général, la capacité thermique du patin d'un rail est plus grande que celle du champignon. Dans ce cas, lorsque le champignon et le patin d'un rail sont durcis, la contraction du patin, quia une capa cité thermique plus grande, l'emporte sur celle du champignon et provoque un fléchissement, et ce degré de fléchissement peut être aussi grand que si l'on durcit seulement le champignon. Pour les raisons susmentionnées, bien que les rails à champignon durci offrent une meilleure résistance à l'usure, ils n'ont pas été utilisés sur une grande échelle en raison de la complexité de la correction du fléchissement.
De plus, lorsque les rails ont été posés, une usure considérable risque d'être produite sur les surfaces inférieures des champignons de rails par les éclisses en raison de la vibration produite par le passage des trains, et des dommages peuvent être causés par le dérangement des surfaces des rails.
La présente invention vise à remédier aux dé fauts susmentionnés du procédé de durcissement par chauffage à la flamme. Elle a pour objet un procédé pour traiter thermiquement un champignon de rail avec un courant à haute fréquence, qui est caractérisé en ce qu'on fait subir au champignon de rail une opération de trempe suivie d'une opération de recuit en le déplaçant de manière continue de façon à le faire passer successivement dans un dispositif à trem per puis dans un dispositif à recuire, de manière que la surface de roulement,
les flancs et le dessous du champignon de rail soient simultanément traités ther- miquement, puis en ce qu'on laisse le rail se refroidir naturellement à l'air libre en le déplaçant le long d'un plan incliné par rapport au plan dans lequel se trouve la partie du rail qui n'a pas encore été traitée thermiquement, le rail se déformant sous l'effet de la dilatation thermique de son champignon.
L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre dudit procédé, qui est carac térisé en ce qu'il comprend un dispositif à tremper formé d'une bobine, alimentée en courant à haute fréquence et agencée de manière à entourer et à chauffer le rail seulement dans la région de la surface de roulement, des flancs et du dessous de son cham pignon, et d'un tuyau pour projeter de l'eau de refroidissement sur les parties chauffées, un dispositif à recuire disposé près du dispositif à tremper et formé d'une bobine alimentée en courant à haute fréquence et agencée de manière à entourer et à chauffer le rail seulement dans la région de la surface de roulement et des flancs de son champignon,
et un dispositif rece vant le rail pendant son refroidissement à l'air libre, ce dispositif présentant un plan incliné par rapport au plan dans lequel se trouve la partie du rail qui n'a pas encore été traitée thermiquement, l'angle d'inclinaison de ce plan pouvant être réglé suivant la dilatation du champignon de rail produite par le traitement thermique. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique montrant un inducteur et un rail destiné à être chauffé par induc tion à haute fréquence pour être trempé et ensuite recuit.
La fia. 2 est une coupe suivant la ligne 1-l' de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne 2-2' de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue latérale de l'ensemble de ladite forme d'exécution.
La fig. 5 est une coupe transversale d'un rail, avec des éclisses appliquées contre lui.
La fig. 6 représente un diagramme de répartition de la dureté d'un champignon de rail traité par un procédé classique.
La fig. 7 représente deux diagrammes de répar tition de la dureté d'un champignon de rail traité par le procédé qui va être décrit.
La fig. 8 montre, dans différents cas, les degrés de fléchissement de rails de 50 kg/m et de 12 m, ayant subi un traitement thermique d'après le pro cédé qui va être décrit. Lorsqu'un courant à haute fréquence de 1000 à 10000 cycles, engendré en faisant tourner un géné rateur à haute fréquence (non représenté) au moyen d'un moteur électrique ou autre moteur, est conduit à une bobine de chauffage 2 par une barre omnibus, un courant secondaire est induit dans le cham pignon de rail entouré par ladite bobine de chauffage 2,
et la partie hachurée du champignon de rail mon trée dans la fig. 2 est chauffée par les courants de Foucault. Le rail ainsi chauffé parfaitement jusqu'à une température qui le rend austénitique est ensuite déplacé dans le sens indiqué par la flèche. De l'eau de refroidissement est projetée directement sur le rail à travers de petits orifices 4 pratiqués dans un man chon 3 de façon à tremper et à durcir le champignon du rail.
A ce moment, comme montré en hachures sur la fig. 2, non seulement la face supérieure et les flancs du champignon de rail, mais aussi en parti culier le dessous de ce champignon peuvent être simultanément trempés et durcis, cependant que l'âme et le patin du rail ne sont pas chauffés du tout et par suite ne sont pas durcis. Lorsque le cham pignon de rail ainsi trempé et durci pénètre ensuite dans une bobine à recuire 5 et est de nouveau chauffé par induction de façon à être recuit, sa structure devient sorbitique. Les conducteurs électriques ali mentant les bobines 2 et 5 sont représentés schéma tiquement sur la fig. 1.
La température de chauffage doit être d'environ 800 à 900 C, bien qu'elle puisse un peu varier sui vant la nature et la composition chimique du rail, et peut être maintenue dans cet intervalle à 5o C.
La bobine à recuire 5, montrée schématiquement à la fig. 1, a en réalité une section droite telle que mon trée à la fig. 3, qui est différente de celle de la bobine de chauffage montrée à la fig. 2, de sorte que l'es pace libre entre le rail et la bobine est différent res pectivement sur la face supérieure, les flancs et le dessous pour empêcher la température de monter au- dessus du point de transformation A1 de l'acier.
En outre, la température du recuit est maintenue à une valeur optimum pour obtenir une dureté dési rée en réglant la pression et la quantité d'eau em ployée pour la trempe. En d'autres termes, il est désirable de maintenir la température du recuit à environ 500 à 6000 C, bien qu'on puisse choisir une température quelque peu différente suivant la nature et la dureté requise du rail. La structure du rail qu'on a fait revenir dans cette gamme de température est entièrement sorbitique.
Dans ce traitement thermique, lorsque chaque rail est traité seul sans être relié à d'autres rails, des parties insuffisamment durcies subsistent vers les extrémités du rail. Pour corriger ce défaut, tous les rails à traiter sont réunis au moyen de dispositifs d'assemblage en utilisant les trous de joint des rails, de sorte qu'un traitement continu est rendu possible. La fig. 4 montre un tel appareil dans lequel les rails 1 sont réunis par des dispositifs d'assemblage 8 et passent entre des cylindres presseurs 11 après avoir passé sur une série de galets 9 formant une surface de transport antérieure. De préférence, les galets 9 sont montés fous sur leurs axes.
Les cylindres presseurs 11 sont de préférence montés de manière mobile, les cylindres supérieur et inférieur étant supportés par des ressorts de manière à pouvoir subir la déformation des rails lorsque ceux- ci se dilatent sous l'action de la chaleur dans la partie 13 où s'effectuent la trempe et le recuit.
Une surface de transport postérieure est prévue pour conduire le rail à sa sortie du dispositif de traitement 13. L'angle d'inclinaison de cette surface est réglable. Par exemple, comme montré sur la fig. 4, une tige de support comporte un galet libre 10 à son extrémité supérieure et une vis de réglage 12 permet de faire monter et descendre cette tige, de sorte que l'angle d'inclinaison du rail peut être réglé.
La déformation des rails lors de la trempe et du recuit peut être bien absorbée par la surface de transport postérieure dont l'angle d'inclinaison est réglable. Ainsi, cet appareil est apte à traiter de manière continue un ensemble de rails.
Une fois que les rails ont subi le traitement ther mique dans cet appareil, les dispositifs d'assemblage sont enlevés et les rails peuvent être stockés dans un entrepôt.
Grâce au procédé décrit, l'épaisseur de la partie du champignon qui doit prendre une structure sor- bitique, c'est-à-dire la profondeur durcie, atteint 15 à 25 mm ou davantage à partir de la face supérieure et des flancs du champignon du rail.
En bref, si une fréquence de 3000 cycles est em ployée pour des rails de 50 kg/m et que la vitesse de déplacement du rail soit de 250 mm/min., une puissance électrique d'environ 200 à 220 kW est nécessaire.
Comme expliqué plus haut, dans l'appareil dé crit, les rails sont trempés et recuits de manière con tinue, tout en étant déplacés de manière continue d'une extrémité à l'autre, par un procédé dans lequel les rails sont recuits immédiatement après avoir été trempés et durcis, en utilisant un chauffage à induc tion dont la fréquence est comprise entre 1000 et 10000 cycles. En outre, en reliant les rails en utili sant les trous de joints, les rails peuvent être soumis successivement au traitement thermique, sans inter ruption.
Lorsque les rails sont assemblés par des éclisses, la section droite de la partie assemblée est telle que montrée à la fig. 5. Les parties en contact du rail et des éclisses sont durcies et peuvent par suite être efficacement protégées contre l'usure.
Un procédé de traitement thermique connu de rails pour obtenir une telle couche durcie comme montré à la fig. 6 a été mis en #uvre sur une grande échelle. Cependant, dans ce cas, si le patin du rail n'est pas chauffé, un très grand fléchissement se pro duit et la flèche est supérieure à 200 mm ou, dans le cas le plus favorable, supérieure à 1 m pour une longueur de rail de 10 m. Par suite, dans ce cas, on a utilisé un procédé connu dans lequel le rail est fléchi dans la même mesure dans le sens opposé avant d'être soumis au traitement thermique.
On a aussi utilisé un autre procédé connu dans lequel, une fois que le rail a été durci, on chauffe le patin du rail. Dans le procédé décrit, non seulement les par ties<I>a</I> et<I>b</I> de la fig. 5, mais aussi les parties c sont traitées thermiquement et sont simultanément trem pées et recuites par chauffage à induction à haute fréquence, en employant, pour tenir -compte de la dilatation produite par le traitement thermique, une surface de transport postérieure inclinée, de sorte que le degré de fléchissement après le traitement thermique peut être très faible, différents exemples étant donnés à la fig. 8.
Suivant ces exemples, la flèche est très faible, et est même inférieure à 20 mm dans la plupart des exemples. Ce fait signifie que la tension interne après que le fléchissement a été cor rigé, reste faible. De plus, le traitement thermique en est facilité. Par suite, il permet de réduire les frais pour corriger le traitement thermique.
La fig. 7 donne deux exemples des profondeurs de la couche durcie et la répartition des duretés de la section droite d'un rail de 50 kg/m ayant subi le traitement thermique décrit. La partie (a) de cette figure montre un exemple dans lequel la température de recuit est élevée. La partie (b) de cette figure montre un exemple dans lequel la température de recuit est basse. La dureté de la section droite est faible en (a), accusant une valeur Shore variant de 45 à 48. En (b), la dureté Shore atteint 48 à 51.
La profondeur de la couche durcie est d'environ 20 à 22 mm sur la face supérieure du champignon du rail et d'environ 18 à<B>18,5</B> mm sur le dessous du cham pignon, aussi bien en<I>(a)</I> qu'en<I>(b).</I> Ainsi, un état durci très satisfaisant est obtenu.