FR3020816A1 - Rail en acier bainitique contenant des traces de carbures et son procede de production - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures. Le rail en acier bainitique est principalement constitué de structures bainitiques, les carbures ont une longueur de 0,05 à 0,5 µm, le grand axe de carbures est orienté selon une direction formant un angle de 50 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe des plaques de ferrite bainitique, et les carbures constituent 1 % à 5 % en volume. La présente invention concerne en outre un procédé de production d'un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, comprenant : le refroidissement d'un rail en acier avec une chaleur résiduelle après laminage de finition par refroidissement par l'air, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement de champignon de rail atteigne 420 à 450 C, le refroidissement de la partie de champignon de rail du rail en acier par refroidissement accéléré à une vitesse de refroidissement de 2,0 à 5,0 C/s, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement du champignon de rail atteigne 220 à 240 C, le chargement du rail en acier dans un four de revenu et un revenu à 300 à 350 C pendant 4 à 6 h, puis un refroidissement du rail en acier par refroidissement à l'air jusqu'à la température ambiante.
Description
Rail en acier bainitique contenant des traces de carbures et son procédé de production La présente invention concerne un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures et un procédé de production dudit rail en acier bainitique contenant des traces de carbures. Actuellement, la plupart des rails en acier généralement utilisés pour les voies ferrées sont constitués d'acier eutectoïde, dont la structure microscopique est principalement constituée de perlite et contient des traces de ferrite, caractérisé par une bonne correspondance de ténacité et des performances modérées, etc. Cependant, étant donné que la densité du trafic et la charge des essieux sur les rails de voies ferrées augmentent régulièrement, les produits de rail en acier existants ne peuvent plus satisfaire à l'exigence de service sur les voies, en particulier dans les sections de voies ferrées dans lesquelles les conditions de ligne sont difficiles. Dans ce contexte, l'usure extrêmement rapide de la partie de contact roue-rail est progressivement devenue un facteur majeur qui affecte la durée de vie des rails en acier sur des voies ferrées à service intensif, en particulier les rails en acier au niveau de parties avec une courbure à faible rayon. Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont conduit des travaux pour développer de nouveaux produits de rail en acier, pour répondre à la demande de l'ingénierie des voies ferrées.
Après des années de recherche, il a été découvert qu'il existe principalement deux procédés qui peuvent répondre à l'exigence mentionnée ci-dessus : un procédé consiste à augmenter davantage la teneur en carbone dans l'acier de rail et ajouter des éléments d'alliage dans une quantité appropriée en tant que complément, pour tirer pleinement profit de l'effet d'amélioration par le carbone de la résistance à l'usure des rails en acier, et obtenir une meilleure correspondance de ténacité et de meilleures propriétés globales des rails en acier au moyen d'un processus de refroidissement post-laminage ; l'autre procédé consiste à utiliser des rails en acier bainitique ayant une teneur élevée en éléments d'alliage et obtenir des rails en acier bainitique ayant une propriété de résistance à l'usure élevée en contrôlant un processus de refroidissement post-laminage, de manière à améliorer la propriété de résistance à l'usure en tirant pleinement profit de la remarquable résistance à la fatigue de contact. Il a été prouvé dans la pratique que l'augmentation supplémentaire de la teneur en carbone dans les produits de rail en acier existants a des effets néfastes sur la sécurité d'application des rails en acier dus à une ténacité et à une plasticité inadéquates et à une précipitation secondaire de cémentite. Ces dernières années, la pratique de l'application d'acier bainitique pour les rails en acier de voies ferrées a introduit une nouvelle idée pour le développement de nouveaux produits de rail en acier. Cependant, comme pour les rails en acier bainitique existants, il est difficile de résoudre le problème d'obtenir une résistance à l'usure élevée tout en maintenant l'excellente propriété de résistance à la fatigue de contact des rails en acier. Par exemple, dans le cas du rail en acier bainitique décrit dans le document de brevet CN-C-1074058, la partie de champignon de rail a une dureté Vickers de 230 à 320, et ne peut pas efficacement résister à l'usure roue-rail en raison de la faible dureté ; par conséquent, le rail en acier doit être remplacé précocement avant d'avoir atteint sa durée de vie nominale, parce qu'il est sévèrement usé. Les rails en acier décrits dans les documents de brevet CN-C-1101856, CN-C-1219904, CN-C-4040660, et CN-B-1012906, etc. sont similaires au rail en acier décrit ci-dessus. Dans le document de brevet CN-C-1086743, un rail en acier bainitique qui a des performances de résistance élevée aux endommagements dus à la fatigue superficielle et de résistance élevée à l'usure est décrit. La structure microscopique du rail en acier bainitique est caractérisée en ce que sur la base de l'aire totale d'une section transversale donnée de la structure bainitique, l'aire totale de carbures avec un grand axe dans la plage de 100 nm à 1 000 nm représente 10 à 50 `Vo. Cette technique présente les inconvénients évidents suivants : en tant que phase dure dans l'acier, les carbures représentent un pourcentage qui est trop élevé et, par conséquent, les fissures formées dans le rail en acier soumis à des contraintes se développent de façon préférentielle le long des carbures, ce qui conduit à des endommagements de fatigue tels qu'une fissuration et un écaillage, ou même des fractures du rail en acier qui compromettraient la sécurité de service. 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 encore être efficacement résolus à la racine parce que le pourcentage des carbures est trop élevé. Dans les documents de brevet CN-C-100471974 et CN-C-1166804, un rail en acier bainitique dans des conditions de refroidissement à l'air et son procédé de production sont décrits. Les procédures de production pour le rail en acier bainitique sont très différentes de celles de la présente invention, parce que le procédé utilise un refroidissement à l'air après laminage. En résumé, en ce qui concerne les rails en acier bainitique et leurs procédés de production qui ont été décrits à ce jour, bien que la résistance à la fatigue de contact des rails en acier bainitique soit pleinement mise à profit, le problème de résistance à l'usure des rails en acier bainitique n'a pas été résolu à la racine. Il existe un besoin urgent d'un rail en acier bainitique qui a d'excellentes propriétés de résistance à l'usure et de résistance aux endommagements de fatigue, afin de satisfaire à l'exigence de service sur des voies ferrées à service intensif, en particulier dans des sections de voies ferrées dans lesquelles les conditions sont exigeantes.
Pour résoudre un inconvénient des rails en acier existants, c'est-à-dire obtenir d'excellentes propriétés de résistance à l'usure et de résistance aux endommagements de fatigue, ce qui ne peut pas être réalisé simultanément dans ces rails en acier, la présente invention concerne un rail en acier bainitique qui a d'excellentes propriétés de résistance à l'usure et de résistance aux endommagements de fatigue et son procédé de production. De façon similaire au cas des carbures dans des rails en acier perlitique, la taille et le pourcentage des carbures dans des rails en acier bainitique ont des influences notables sur la résistance à l'usure et la durée de vie des rails en acier. Dans le processus d'utilisation, le rail en acier est soumis à l'action alternée de contraintes complexes exercées par les roues, et la partie de contact roue-rail du champignon de rail d'un rail en acier est soumise à l'usure continue par la force de frottement générée entre le rail en acier et les roues. Analysée au microscope, la ferrite bainitique dans le rail en acier est une phase molle dans l'acier, et il peut encore ne pas avoir une résistance suffisante pour résister à l'usure causée par les roues bien qu'il ait été renforcé dans le processus de refroidissement accéléré après laminage. Tandis que les carbures, qui constituent une phase dure dans l'acier, précipitent progressivement dans la ferrite bainitique et se concentrent au fur et à mesure que la couche superficielle du champignon de rail est usée lors du processus d'utilisation, et ainsi résistent à la contrainte exercée par les roues conjointement et peut améliorer la résistance à l'usure de l'acier. Au cours de ses recherches, l'inventeur de la présente invention à découvert que les carbures qui précipitent dans la matrice de ferrite bainitique sont en forme de bâtonnets ou en forme de bandes, avec une longueur ne dépassant pas 0,5 pm, et sont orientés dans une direction selon un angle de 50 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe des plaques de ferrite, et ces carbures peuvent améliorer efficacement la propriété de résistance à l'usure du rail en acier, avec peu d'effets indésirables sur la propriété de résistance à la fatigue de contact de roulement du rail en acier. Pour réaliser l'objet décrit ci-dessus, selon un aspect, la présente invention concerne un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, caractérisé en ce que le rail en acier bainitique est principalement constitué de structures bainitiques, les carbures ont une longueur de 0,05 à 0,5 pm, le grand axe des carbures est orienté dans une direction à un angle inclus de 50 à 70° par rapport à la direction du grand axe de plaques de ferrite bainitique, et les carbures représentent 1 % à 5 % en volume. Selon un autre aspect, la présente invention concerne en outre un procédé pour produire un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, comprenant le refroidissement d'un rail en acier avec chaleur résiduelle après laminage de finition par refroidissement à l'air, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement de champignon de rail atteigne 420 à 450 °C, le refrodissement de la partie de champignon de rail du rail en acier par refroidissement accéléré à une vitesse de refroidissement de 2,0 à 5,0 °C/s, jusqu'à ce que la température au centre cb la surface de roulement du champignon de rail atteigne 220 à 240 °C, le chargement du ral en acier dans un four de revenu et un revenu à 300 à 350 °C pendant 4 à 6 h, puis, le refoidissement du rail en acier par refroidissement à l'air jusqu'à la température ambiante. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention sont décrits de façon plus détaillée dans les modes de réalisation présentés ci-dessous. La figure 1 annexée est présentée pour faciliter la compréhension plus approfondie de la présente invention. Elle est utilisée en combinaison avec les modes de réalisation suivants pour expliquer la présente invention, mais ne doit pas être considérée comme constituant une limitation quelconque de la présente invention. La figure 1 représente la structure microscopique du rail en acier bainitique contenant des traces de carbures décrit dans la présente invention sous un microscope électronique à transmission (MET) après que l'épaisseur ait été réduite par électropolissage à double jet. Ci-après, des modes de réalisation de la présente invention sont détaillés, en référence à la figure annexée. Il doit être noté que les modes de réalisation présentement décrits ne sont présentés que pour décrire et expliquer la présente invention, mais ne doivent pas être considérés comme constituant une limitation quelconque de la présente invention. Selon un aspect, la présente invention concerne un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, caractérisé en ce que le rail en acier bainitique est principalement constitué de structures bainitiques, les carbures ont une longueur de 0,05 à 0,5 le grand axe des carbures est orienté dans une direction formant un angle de 50 à 70° inclus avec la direction du grand axe des plaques de ferrite bainitique, et les carbures représentent 1 % à 5 % en volume. Dans la recherche, l'inventeur de la présente invention a découvert que si le pourcentage de carbures est trop élevé, par exemple, supérieur à 5 %, bien que la propriété de résistance à l'usure du rail en acier puisse être efficacement améliorée, des fissures peuvent survenir aisément dans le rail en acier sous la contrainte exercée par les roues, et les fissures se développent dans l'acier de façon préférentielle le long des carbures ; par conséquent, le rail en acier se fracture en un temps court, et la sécurité de service ne peut pas être assurée. La direction du grand axe des carbures forme un angle de 50 à 70° inclus par rapport au grand axe des plaques de ferrite bainitique, ce qui est avantageux pour assurer que la propriété de résistance aux endommagements de fatigue du rail en acier ne sera pas dégradée, même après qu'une déformation plastique se produise au niveau de la partie de contact roue-rail. Selon la présente invention, le rail en acier bainitique contient: 0,15 % en poids à 0,30 % en poids de C, 1,00 % en poids à 1,80 % en poids de Si, 1,50 % en poids à 2,50 (3/0 en poids de Mn, 0,50 % en poids à 1,00 % en poids de Cr, 0,20 % en poids à 0,50 % en poids de Mo, et du Fe qui constitue le reste avec des impuretés inévitables, et le pourcentage en poids total de Mn et Cr satisfait à 2,2 % Mn+Cr 3,0 %.
Ci-après, les raisons pour confiner les éléments chimiques majeurs dans le rail en acier décrit dans la présente invention dans les plages ci-dessus sont expliquées : Le carbone (C) est l'élément le plus important dans l'acier bainitique pour obtenir des propriétés excellentes de correspondance de ténacité et mécaniques globales. Lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,15 % en poids, il est incapable de produire pleinement son effet de renforcement, et la rigidité du rail en acier est trop faible et, par conséquent, le pourcentage de carbures dans l'acier et la propriété de résistance à l'usure de l'acier ne peuvent pas être assurés ; lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,30 % en poids, avec 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 l'acier est sévèrement affectée parce que le pourcentage de carbures est trop élevé, et la sécurité d'application du rail en acier est compromise. Par conséquent, la teneur en carbone est confinée à 0,15 à 0,30 % en poids. En tant qu'élément additionnel majeur dans l'acier, le silicium (Si) existe généralement dans la ferrite en solution solide, et peut améliorer la résistance de la structure. Pour l'acier bainitique, lorsque la teneur en silicium est inférieure à 1,00 % en poids, d'une part l'effet de renforcement n'est pas significatif parce que la concentration en solution solide est faible ; d'autre part, des carbures fins ne peuvent pas être obtenus et, par conséquent, l'objectif de contrôle structural de la présente invention ne peut pas être atteint ; lorsque la teneur en silicium est supérieure à 1,80 % en poids, la précipitation des carbures est totalement inhibée ; au lieu de cela, de l'austénite résiduelle est présente et des défauts de surface peuvent aisément survenir, par conséquent, la régularité de fonctionnement des trains ne peut pas être assurée. Par conséquent, la teneur en silicium est confinée à 1,00 à 1,80 % en poids.
Le manganèse (Mn) peut significativement diminuer la température de transition initiale de la structure bainitique, améliorer la dureté des carbures, et est un élément d'addition important dans l'acier bainitique. Au cours de la recherche, l'inventeur a découvert que lorsque la teneur en manganèse est inférieure à 1,50 % en poids, il est difficile d'obtenir l'effet d'amélioration de la dureté des carbures ; lorsque la teneur en manganèse est supérieure à 2,50 % en poids, la dureté des carbures est trop élevée, et la propriété de résistance à la fatigue du rail en acier est sévèrement dégradée. Par conséquent, la teneur en manganèse est confinée à 1,50 à 2,50 % en poids. En tant qu'élément de formation pour des carbures de taille modérée, le chrome (Cr) peut se lier au carbone dans l'acier pour former différents carbures ; de plus, le chrome est utile pour une répartition uniforme du carbone dans l'acier, et peut diminuer la taille des carbures, et améliorer ainsi la propriété de résistance à l'usure du rail en acier. Lorsque la teneur en chrome est inférieure à 0,50 % en poids, la dureté et le pourcentage des carbures formés dans l'acier sont trop faibles, et les carbures se concentrent sous la forme de paillettes, ce qui est préjudiciable aux performances d'utilisation du rail en acier ; 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 d'utilisation du rail en acier ne peut pas être assurée. Par conséquent, la teneur en chrome est confinée 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 une structure bainitique. Lorsque la teneur en molybdène est inférieure à 0,20 % en poids, il sera difficile d'obtenir les effets mentionnés ci-dessus ; lorsque la teneur en molybdène est supérieure à 0,50 % en poids, l'efficacité de transition de la structure bainitique sera fortement réduite et, par conséquent, une structure bainitique idéale ne peut pas être obtenue dans le processus de refroidissement accéléré. Par conséquent, la teneur en molybdène est confinée à 0,20 à 0,50 % en poids.
Pour améliorer davantage les performances d'utilisation du rail en acier dans la présente invention, la teneur en manganèse et la teneur en chrome doivent satisfaire à 2,2 % en poids Mn+Cr 3,0 % en poids. Mn et 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 l'exigence décrite dans la présente invention ; de plus, la dureté des carbures est faible, et une propriété modérée de résistance à l'usure 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 forte ségrégation se produit localement dans le rail en acier et, par conséquent, l'uniformité de la structure bainitique et les performances de la structure bainitique dans le rail en acier ne peuvent pas être assurées. Par conséquent, une condition de « 2,2 % en poids Mn+Cr 3,0 % en poids » doit être satisfaite. Présentement, « Mn+Cr » désigne la somme de la teneur en Mn et de la teneur en Cr. Selon un autre aspect, la présente invention concerne en outre un procédé de production d'un rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, comprenant le refroidissement d'un rail en acier avec une chaleur résiduelle après laminage de finition par refroidissement à l'air, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement du champignon de rail atteigne 420 à 450 °C, le refrodissement de la partie de champignon du rail du rail en acier par refroidissement accéléré à une vitesse de refroidissement de 2,0 à 5,0 °C/s, jusqu'à ce que la température au centre cb la surface de roulement du champignon de rail atteigne 220 à 240 °C, le chargement du ral en acier dans un four de revenu et un revenu à 300 à 350 °C pendant 4 à 6 h, puis le refroidissement du rail en acier par refroidissement à l'air à la température ambiante. Selon le procédé décrit dans la présente invention, un rail en acier avec chaleur résiduelle après laminage de finition est utilisé, la partie de champignon de rail du rail en acier est refroidie par refroidissement accéléré à une vitesse de refroidissement de 2,0 à 5,0 °C/s ; lorsque la température au centre de la surface de roulement de champignon de rail diminue jusqu'à 220 °C-240 °C, le rail en acier estchargé dans un four de revenu et est revenu à 300 à 350 °C pendant 4 à 6 h ; ensuite, le rail en acier est refroidi à température ambiante par refroidissement à l'air ; de cette manière, des carbures en forme de bâtonnets peuvent précipiter dans la matrice de ferrite bainitique, où les carbures en forme de bâtonnets ont une longueur de 0,05 à 0,5 pm et sont orientés selon une direction à un angle de 50 à 70° inclus par rapport au grand axe des plaques de ferrite bainitique, et représentent 1 °/0 à 5 % en volume. Selon le procédé décrit dans la présente invention, le rail en acier avec chaleur résiduelle après laminage de finition peut être produit avec un procédé commun dans l'art ; par exemple, le procédé peut comprendre : le traitement d'un matériau d'acier ayant une composition chimique appropriée par fusion dans un convertisseur ou un four électrique, affinage au four poche, traitement sous vide RH ou en poche, et coulée, pour produire une billette d'acier coulée en continu ayant des dimensions de section transversale appropriées ; ensuite, la billette d'acier est chargée dans un four à longerons mobiles et chauffée à 1200 à 1300 °C, et est maintenue à cette température pendait 2 h ou un temps plus long ; ensuite, la billette d'acier est laminée sous forme d'un rail en acier ayant les dimensions de section transversale requises ; ici, la température de laminage de finition du rail en acier est de 850 à 950 °C. Le rail en acier avec chaleur résiduelle après laminage de finition est placé sur un transporteur à rouleaux et maintenu dans l'air pour refroidissement à l'air ; lorsque la température de la couche superficielle du champignon du rail en acier diminue jusqu'à 420 à 450 °C, un milieu de refroidissement accéléré est appliqué sur la surface supérieure et les deux côtés du champignon de rail. Ici, le milieu de refroidissement accéléré peut être un milieu de refroidissement couramment utilisé dans l'art. Par exemple, le milieu de refroidissement accéléré peut être choisi parmi au moins l'un parmi l'air comprimé, un mélange eau-air, et un mélange huile-gaz.
Ci-après, la raison pour laquelle la température initiale de refroidissement accéléré est ajustée à 420 à 450 °C est expliquée. Comme mortré dans la recherche de l'inventeur de la présente invention, dans les conditions de refroidissement post-laminage à l'air, la température de transition de phase des rails en acier bainitique est généralement dans la plage de 350 à 400 °C. Si le refroidissement accéléré est initié à partir de la plage de température du domaine de phase austénitique, un temps de refroidissement plus long sera nécessaire et une plus grande quantité d'énergie du milieu de refroidissement sera consommée, étant donné que la température initiale de refroidissement accéléré est éloignée de la température de transition de phase ; plus important, dans le processus de refroidissement accéléré, la chaleur provenant de la partie centrale du champignon du rail et de la partie d'âme du rail diffuse vers la couche superficielle du champignon du rail par transfert thermique, tandis que la couche superficielle du champignon du rail est soumise à un refroidissement accéléré par le milieu de refroidissement externe ; par conséquent, la partie de champignon du rail ne peut pas subir une transition de phase à un degré de sur-refroidissement plus élevé, finalement, la rigidité sur la section transversale de champignon de rail diminue progressivement de la couche superficielle vers la partie centrale, et le rail en acier ne peut pas être entièrement durci. En ajustant la température de refroidissement initiale à 420 à 450 °C, le bénéfice suivant peut être obtenu : l'initiation du refroidissement accéléré dans la plage de température du domaine de phase austénitique à 450 °C a une faible contribution à l'amélioration cbs performances globales du rail en acier. Lorsque le rail en acier est refroidi jusqu'à 420 à 450 °C, la température de l'âme du rail et la température de la base du rail sont inférieures à 480 °C. Si le refroidissement accéléré est initié à cette température, la température de la couche superficielle du champignon du rail est significativement diminuée, tandis qu'il est difficile que la chaleur provenant de la partie centrale du champignon du rail compense efficacement la perte de chaleur dans la couche superficielle ; de plus, étant donné que la température initiale de refroidissement est proche du point de transition de phase, la section transversale totale du champignon du rail, en particulier vers la partie centrale du champignon du rail, peut subir une transition de phase à un degré de sur-refroidissement plus élevé. La raison pour laquelle la vitesse de refroidissement est ajustée à 2,0 à 5,0 °C/s dans ce processus est la suivante : si la vitesse de refroidissement est inférieure à 2,0 °C/s, la température de la couche superficielle du champignon du rail ne peut pas être refroidie rapidement, et l'effet de refroidissement ne peut pas être efficacement transféré à la partie centrale ; de plus, la chaleur provenant de la partie centrale est rétrocédée à la couche superficielle, ce qui est néfaste à l'amélioration des performances globales du rail en acier ; plus important, les carbures dans le rail en acier ne peuvent pas précipiter suffisamment et, par conséquent, l'objet de la présente invention ne peut pas être réalisé ; si la vitesse de refroidissement est supérieure à 5,0 °C/s, une plus grande quantité de martensite est produite parce que la couche superficielle est refroidie trop rapidement, par conséquent, la rigidité du rail en acier est trop élevée ; bien que la martensite puisse être convertie en martensite partiellement revenue par le processus de revenu qui suit, de la martensite résiduelle est encore présente et forme finalement des structures martensitiques à température ambiante, qui sont néfastes pour une utilisation sûre du rail en acier. Le refroidissement accéléré est arrêté lorsque la couche superficielle du rail en acier est refroidie jusqu'à 220 à 240 °C. La raison pour laquelle la température finale de refroidissement accéléré est ajustée à 220 à 240 °C est la suivante : si la température finale de refroidissement est supérieure à 240 °C, bien cite des structures bainitiques fines soient obtenues dans la couche superficielle du champignon du rail, des structures bainitiques grossières sont formées dans la partie centrale du champignon du rail en raison de la température élevée, et les structures bainitiques grossières influencent les performances du rail en acier à la température ambiante et sont néfastes pour l'uniformité de performance de la section transversale totale ; si la température de refroidissement est inférieure à 220 °C, une grande quantité de martensite est formée, et ne peut pas être éliminée, même à l'aide du traitement de revenu qui suit ; par conséquent, la ténacité et la plasticité du rail en acier seront fortement compromises, ou même le rail en acier ne pourra pas être utilisé. De plus, une fois que le refroidissement accéléré est terminé, le rail en acier est chargé dans un four chauffant et revenu à 300 à 350 °C pendant 4 à 6 h, et est ensuite refroidi à température ambiante par refroidissement à l'air. La raison de la procédure ci-dessus est la suivante : si la température de revenu est inférieure à 300 °C, la ténacité et la plasticité de l'acier, en particulier la ténacité aux chocs à basse température, est fortement dégradée, par conséquent, la propriété de ténacité élevée du rail en acier bainitique à basse température ne peut pas être utilisée ; de plus, étant donné que les carbures ne peuvent pas précipiter suffisamment dans l'acier, la propriété de résistance à l'usure du rail en acier 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, par conséquent, il sera difficile d'obtenir un rail en acier ayant des propriétés globales excellentes. La raison pour laquelle la durée de revenu est ajustée à 4 à 6 h est la suivante : lorsque la durée de revenu est inférieure à 4 h, les carbures dans l'acier, en particulier les carbures dans la zone profonde du champignon du rail, ne peuvent pas précipiter suffisamment ; lorsque la durée de revenu est supérieure à 6 h, le temps de traitement excessivement long apportera peu de bénéfices, parce que la précipitation des carbures dans l'acier est déjà terminée et l'objectif du processus de revenu a déjà état atteint. Après le traitement de revenu, le rail en acier est enlevé et refroidi à température ambiante par refroidissement à l'air, de manière à obtenir un produit fini de rail en acier.
Selon le procédé décrit dans la présente invention, le rail en acier contient: 0,15 % en poids à 0,30 % en poids de C, 1,00 % en poids à 1,80 % en poids de Si, 1,50 % en poids à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 % en poids à 1,00 % en poids de Cr, 0,20 % en poids à 0,50 % en poids de Mo, et Fe qui constitue le reste avec des impuretés inévitables, et le pourcentage en poids total de Mn et Cr satisfait à 2,2 % Mn+Cr 3,0 %.
Ci-après, la présente invention est détaillée dans des exemples, mais la portée de la présente invention n'est pas limitée à ces exemples. Dans les exemples selon l'invention 1 à 6 et les exemples comparatifs 1 à 6, les rails en acier 1 à 6 suivants sont utilisés, respectivement. Les compositions chimiques des rails en acier sont présentées dans le tableau 1. N° Composition chimique / % en poids C Si Mn P S Cr Mo Mn+Cr 1 0,23 1,58 1,97 0,010 0,006 0,80 0,20 2,77 2 0,20 1,20 2,50 0,011 0,005 0,50 0,29 3,00 3 0,15 1,80 1,50 0,011 0,007 1,00 0,42 2,50 4 0,21 1,45 1,60 0,014 0,009 0,60 0,50 2,20 0,24 1,00 2,05 0,012 0,004 0,63 0,36 2,68 6 0,30 1,30 1,87 0,013 0,006 0,78 0,25 2,65 5 Tableau 1 : Compositions des rails des exemples Exemple 1 selon l'invention On traite l'acier n° 1 dans le tableau 1 par élaboration dans un convertisseur, affinage au four-poche, traitement sous vide RH, et coulée, pour produire une billette d'acier coulée en continu, on charge la billette d'acier dans un four à longerons mobiles et on chauffe jusqu'à 1300 °C et maintient cette températire pendant au moins 2h, on lamine la billette d'acier sous forme d'un rail en acier de 60 kg/m, après un laminage de finition on place le rail en acier sur un transporteur à rouleaux et on maintient le rail en acier sur celui-ci au moyen d'une rampe de retournement de l'acier pour un refroidissement par air, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement du champignon du rail atteigne 445 °C, ensuite on applique un milieu de refroidissement sur la surface supérieure et les deux côtés du champignon du rail pour démarrer le refroidissement accéléré, le milieu de refroidissement étant un mélange eau-air, et le rail en acier est refroidi à une vitesse de refroidissement accéléré de 4,5 °C/s, jusqu'à ce qLe la température de la couche superficielle du champignon du rail diminue jusqu'à 240 °C, ensuite on arrête le refroidissement accéléré, on charge le rail en acier dans un four de revenu et on effectue un revenu à 300 °C pendant 4,1 h. Après le traitement de revenu, on refroidit le rail en acier à l'air à la température ambiante ; ainsi, un rail en acier Al est finalement obtenu.
Exemples 2 à 6 selon l'invention et exemples comparatifs 1 à 6 On prépare les rails en acier dans les exemples 2 à 6 selon le procédé décrit dans l'exemple 1, mais on remplace les paramètres de contrôle dans le processus opérationnel de l'exemple 1 par ceux présentés dans le tableau 2. Les rails en acier préparés selon l'invention par le procédé des exemples 2 à 6 sont appelés A2-A6. Dans les exemples comparatifs, le procédé de traitement est un procédé de traitement thermique conventionnel et les paramètres de contrôle spécifiques au processus opérationnel sont présentés dans le tableau 2. Les rails en acier préparés selon le procédé des exemples comparatifs 1 à 6 sont appelés Dl-D6. Exemple N° Température Vitesse de Température Température de revenu / Durée initiale de refroidissement finale de °C de Refroidissement de Refroidissement revenu / h accéléré / °C Refroidissement accéléré / °C accéléré / °C/s Exemples Al 445 4,5 240 300 4,1 selon l'invention A2 432 3,0 235 338 4,8 A3 429 3,4 232 350 6,0 A4 420 2,0 227 344 5,1 A5 448 5,0 220 330 4,0 A6 450 4,1 224 340 5,6 Exemples D1 760 1,8 350 comparatifs D2 780 2,4 381 D3 820 2,2 364 D4 880 3,1 425 D5 690 2,9 346 D6 870 1,9 315 Tableau 2 : Paramètres des traitements Exemples d'essais Les performances des rails en acier Al à A6 préparés dans les exemples 1 à 6 selon l'invention et D1 à D6 préparés dans les exemples comparatifs 1 à 6 sont testées selon le procédé suivant, spécifiquement : La propriété de traction du rail en acier est mesurée selon GB/T228-2010 « Tensile Testing Method of Metallic Materials at Room Temperature », et les Rp0,2 mesuré (limite élastique conventionnelle à 0,2 % d'allongement), R, (résistance à la traction), A (3/0 (allongement), Z % (réduction de section transversale) sont présentés dans le tableau 3. Les tests d'usure sont conduits sur une machine d'essai d'usure MM-200 pour déterminer la perte de poids moyenne résultant de l'usure. Les échantillons sont prélevés sur la partie de champignon de rail des rails en acier Al à A6 et D1 à D6. Dans l'ensemble des essais d'usure, les échantillons d'usinage inférieur sont constitués du même matériau. Les valeurs mesurées de perte de poids moyenne résultant de l'usure sont présentées dans le tableau 3. Les paramètres d'essai sont comme suit : Taille d'échantillon : échantillon circulaire de 10 mm d'épaisseur et 36 mm de diamètre Charge d'essai : 150 kg Glissement : 10 % Matériau d'échantillon d'usinage inférieur : acier pour roue ayant une dureté de 260 à 310 HB Environnement : dans l'air Vitesse de rotation : 200 tours/min Cycles d'usure totaux : 100 000 cycles La longueur des carbures, l'angle formé entre les carbures et la ferrite bainitique, et le pourcentage des carbures sont mesurés selon le procédé suivant : Des échantillons sont prélevés sur les rails en acier préparés dans les exemples selon l'invention et les exemples comparatifs et des échantillons de films ayant une épaisseur 50 lm sont obtenus à partir des échantillons. Ensuite, les échantillons sont traités par électropolissage à double jet pour réduction de l'épaisseur ; ensuite, la morphologie des carbures est indexée et observée sous un microscope électronique à transmission (MET), et l'angle inclus entre les carbures et la ferrite bainitique est mesuré ; les carbures de 0,05 à 0,5 lm de longueur et orientés dans une direction à un angle de 50 à 70° inclus sont sélectionnés, et l'aire et le pourcentage des carbures sont mesurés par estimation approximative. Étant donné que la morphologie des carbures varie dans différents champs de vision, afin d'assurer la précision de mesure, au moins 20 champs de vision sur un rail en acier avec le même matériau, le même processus et la même position d'échantillonnage sont observés, et la valeur moyenne est retenue, et le pourcentage de carbures qui satisfont à l'exigence est déterminé. Exemples N° Propriétés en traction Propriété de Pourcentage Longueur Perte de poids due à l'usure / g résistance aux de Carbures moyenne chocs / % en vol. des carbures / Aku/J Pm Rpo2/MPa Rp,/MPa A/ % Z/ % Température ambiante , 0 , ' s" Exemples Al 1230 1480 16,5 52 95 78 2,8 0,42 0,5466 selon l'invention A2 1280 1510 15,5 48 85 60 4,4 0,08 0,5143 A3 1150 1430 18,0 58 107 81 1,8 0,26 0,5896 A4 1290 1590 16,5 50 98 64 4,2 0,32 0,4831 A5 1260 1490 17,0 52 92 72 3,5 0,40 0,4269 A6 1360 1610 15,0 44 78 56 4,9 0,29 0,3987 Exemples D1 1025 1340 16,0 52 75 48 S/0 - 1,0236 comparatifs D2 1040 1350 15,0 44 54 38 S/0 - 0,9584 D3 1080 1290 17,5 49 52 40 5/0 - 1,1459 D4 1105 1420 16,5 40 58 40 S/0 - 0,8562 D5 1060 1310 15,0 46 68 46 S/0 - 0,7569 D6 1180 1480 14,0 40 66 41 S/0 - 0,7258 Tableau 3 : Résultats des essais Les résultats du tableau 3 indiquent que dans des conditions de même composition chimique et de même processus d'élaboration et de laminage, le traitement de post-laminage du rail en acier aura une influence significative sur les propriétés finales du rail en acier, représentées par : dans le rail en acier produit avec le procédé décrit dans la présente invention, des carbures en forme de bâtonnets ou en forme de bandes, qui ont une longueur de 0,05 à 0,5 i..tm, orientés dans une direction formant un angle de 50 à 70° inclus par rapport à la direction du grand axe des plaques ferritiques, et représentent 1 à 5 % en volume, précipitent dans la matrice de ferrite bainitique ; en conséquence, le rail en acier obtient une excellente ténacité et une propriété de résistance à l'usure dans les mêmes conditions significativement améliorée. Par conséquent, la présente invention est utile pour prolonger la durée de vie des rails en acier, en particulier les rails en acier de section de voie incurvée avec des conditions d'utilisation exigeantes sur les voies ferrées à service intensif. Des modes de réalisation préférés de la présente invention sont décrits ci-dessus de manière détaillée, cependant, la présente invention n'est pas limitée aux détails spécifiques des modes de réalisation ci-dessus, les solutions techniques de la présente invention peuvent comporter différentes modifications simples en demeurant dans l'esprit technique de la présente invention. De plus, il doit être noté que chaque caractéristique technique spécifique décrite dans les modes de réalisation spécifiques ci-dessus peut être combinée d'une manière adaptée quelconque, en l'absence d'incompatibilités. Afin d'éviter toute répétition superflue, les différentes combinaisons possibles ne sont pas décrites plus avant dans la présente invention.25
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Rail en acier bainitique contenant des traces de carbures, caractérisé en ce que le rail en acier bainitique est principalement constitué de structures bainitiques, les carbures ont une longueur de 0,05 à 0,5 le grand axe des carbures est orienté dans une direction formant un angle de 50 à 70° inclus par rapport à h direction du grand axe des plaques de ferrite bainitique, et les carbures constituent 1 % à 5 % en volume.
- 2. Rail en acier bainitique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le rail en acier bainitique contient : 0,15 % en poids à 0,30 % en poids de C, 1,00 % en poids à 1,80 (3/0 en poids de Si, 1,50 % en poids à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 % en poids à 1,00 % en poids de Cr, 0,20 % en poids à 0,50 % en poids de Mo, et Fe qui constitue le reste avec des impuretés inévitables, et le pourcentage en poids total de Mn et Cr satisfait à 2,2 % Mn+Cr 3,0 `Vo.
- 3. Procédé de production du rail en acier bainitique contenant des traces de carbures selon la revendication 1, comprenant : le refroidissement d'un rail en acier avec une chaleur résiduelle après laminage de finition par refroidissement par l'air, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement de champignon de rail atteigne 420 à 450 °C, le refroidissement de la partie de champigron de rail du rail en acier par refroidissement accéléré à une vitesse de refroidissement de 2,0 à 5,0 °C/s, jusqu'à ce que la température au centre de la surface de roulement du champignon de rail atteigne 220 à 240 °C, le chargement du rail en acier dans un four de revenu, et un revenu à 300 à 350 °C pendant 4 à 6 h, puis le refroidissement du rail en acier par refroidissement à l'air jusqu'à la température ambiante.
- 4. Procédé de production selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu du refroidissement accéléré est choisi parmi au moins un parmi l'air comprimé, un mélange eau-air, et un mélange huile-gaz.
- 5. Procédé de production selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le rail en acier contient : 0,15 % en poids à 0,30 % en poids de C, 1,00 % en poids à 1,80 % en poids de Si, 1,50 % en poids à 2,50 % en poids de Mn, 0,50 % en poids à 1,00 % en poids de Cr, 0,20 % en poids à 0,50 % en poids de Mo, et Fe qui constitue le reste avec des impuretés inévitables, et le pourcentage en poids total de Mn et Cr satisfait à 2,2 % Mn+Cr 3,0 `Vo.
Applications Claiming Priority (1)
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