Mise au point et production d’un acier au Mn allie au niobium destine au chemin de fer

Mise au point et production d’un acier au Mn allie au niobium destine au chemin de fer

Mn allie au niobium destine au chemin de fer

Hadji Ali *,**, Maouche Hichem *,**, Bouhamla Khadidja*,**.

* Laboratoire de Fonderie, Université Badji Mokhtar - Annaba, ALGERIE

**Unité de Recherche Appliquée en Sidérurgie Métallurgie URASM/ CSC - Annaba, ALGERIE.

hadji_alidz@yahoo.fr / hadji.lrf@gmail.com

RÉSUMÉ. Cette étude concerne la fabrication d’un acier au manganèse austénitique destiné à la production d’une large gamme des pièces mécanique parmi lesquelles celles destinées pour l’aiguillage dans les croisements de chemin de fer dans tous les pays industriels où des charges lourdes sont déplacées par rail. Cet acier est caractérisé par un durcissement en cours de service provoqué par écrouissage. Selon la microstructure formée après trempe et revenu, la transformation de l’austénite, en cours d’exploitation, en martensite détermine sa durée d’exploitation. Le taux de transformation de l’austénite en martensite permet d’imposer un compromis entre la ductilité et la résistance à l’usure de l’acier de façon à supporter de grands efforts sans se rompre.

L’objectif de cette étude est d’améliorer la tenue à l’usure par abrasion et par frottement à l’état brut de coulée et après traitement thermique.

L’addition du niobium, élément fortement carburigène et alphagène, favoriserait un durcissement secondaire et ralentirait la transformation de l’austénite au cours du traitement thermique.

Les résultats obtenus ont montré que l’introduction du niobium a fortement influencé le caractère de cristallisation. Une précipitation de carbures de formes et de finesses variables est observée dans la microstructure à l’état brut de coulée, qui à l’état traité, ils se dissolvent complètement dans la matrice favorisant une nette amélioration de la résistance à l’usure.

Cette étude a permis de mettre au point une nuance d’acier au manganèse pouvant être intégrer dans la production de cœur d’aiguillages de chemin de fer avec un meilleur cycle de vie.

ABSTRACT. This study relates to the manufacture of austenitic manganese steel intended to work in a wide range of mechanical parts among them the hearts of referral in crosses Railroad across industrial countries, where heavy loads are moved by rail. This steel is characterized by a hardening in service caused by cold working. According to the microstructure formed after quenching and tempering, the transformation of austenite, during operation, in martensite determines its operating life. The transformation rate of austenite to martensite can provide a compromise between ductility and wear resistance of steel to ithstand great effort without breaking.

The aim of this study is to improve the resistance to abrasive wear and friction in the rough casting and after heat treatment.

The addition of niobium carbide-component strongly and alphagenic, promote a secondary hardening and slow the transformation of austenite during the heat treatment.

The results showed that the introduction of niobium has strongly influenced the crystallization character. Carbides precipitation of different shape and dimension are observed in the as cast microstructure samples, which dissolve after heat treatment and improve the wear resistance.

This work has allowed to develop a steel grade manganese which can be incorporated into the production of heart switches railway with a better lifecycle.

MOTS-CLÉS : Acier au manganèse, élément d’addition, microstructure, traitement thermique, usure.

KEYWORDS: manganese steel, alloying elements, microstructure, heat treatment, wear

1. Introduction

L'acier Hadfield est un acier austénitique allié au manganèse caractérisé par une résistance à l'usure élevée, une haute dureté et un grand taux d'écrouissage. Ces caractéristiques, rendent l’utilisation de cet acier accrue dans des applications industrielles utilisant les marteaux d'impact, les mâchoires de broyeur, les bandes de roulement de chenille, les rails et les aiguillages de chemin de fer. Les principaux éléments d'alliage dans l’acier Hadfield incluent approximativement 10 –14 % Mn et 1 – 1.4 % C. La teneur élevée en manganèse sert à abaisser l'énergie de défaut d'empilement et à augmenter la solubilité du carbone et de l’azote dans des positions interstitielles [1]. La solubilité des éléments à position interstitielle permet une haute concentration en carbone sans la précipitation de carbures. De plus, le carbone diminue la température de transformation martensitique (Ms) durant la trempe et aussi lors de la déformation.

La stabilité structurale des aciers au manganèse est tributaire de la composition chimique et des sollicitations mécaniques ou thermiques auxquelles ils sont soumis [2]. Le principal facteur de durcissement de l'acier est, en pratique, la précipitation des carbures. La nécessité de conditionner correctement la précipitation des carbures, c’est-à-dire de provoquer leur formation à l’intérieur de la matrice est très importante [3]. D’un point de vue général, ce résultat est obtenu pour de nombreux métaux par des opérations de traitement thermique qui provoquent des

transformations structurales qui se résument en une mise en solution des précipités par chauffage à une température suffisamment élevée et un refroidissement rapide [4]. Les résultats obtenus ont mis en lumière des compositions d'aciers dont la stabilité structurale est supérieure à celle des aciers industriels de qualité courante [5]. Il est maintenant bien établi qu'il est inutile de chercher à relier systématiquement les propriétés mécaniques directement à la présence des éléments d'addition sans tenir compte de la proportion de ces derniers, de la teneur en carbone et surtout des traitements thermiques appliqués et de la structure finale.

Ce travail porte sur l’amélioration du comportement à l’usure et au choc d’un acier au manganèse destiné à la production d’aiguilles de chemin de fer par l’addition d’éléments d’alliage. L’objectif de cette étude consiste à introduire un élément d’alliage à caractère carburigène en vue de favoriser une précipitation de carbures secondaires dans la matrice après traitement thermique. Il s’agit du niobium ajouté dans une gamme de teneur variant entre 0.1 et 0.3 % avec un pas de 0.05%.

L’analyse chimique, les essais d’usure par abrasion et par choc ainsi que des observations métallographiques étayent ce travaillent.

2. Techniques expérimentales

2.1. Coulée des échantillons

Les échantillons sont élaborés dans un four à induction de laboratoire. Ils sont coulés dans un moule à base de sable au silicate de soude sous forme de barreaux cylindriques de dimension 20X100 mm (figure 1) puis découpés pour les diverses caractérisations puis traités thermiquement (hypertrempe). Le niobium est ajouté sous forme de ferro-alliage (Fe-Nb). L’analyse chimique est réalisée par spectroscopie et est présentée dans le tableau 1.

2.2 Métallographie

Les échantillons destinés pour l’observation métallographique sont polis selon la méthode conventionnelle puis finis par une pate diamantée et attaqué au nital à 4%.

Par contre les échantillons présentant une partie écrouie sont attaqués par l’acide oxalique (attaque électrolytique).

.

Contre poids Porte échantillon

Échantillon Papier abrasif

Figure 2. Dispositif utilisé pour l’essai de frottement

Moteur

Echantillon à caractériser Porte

échantillon

Récupération des grenailles

Amener de l’air

Figure 3. Dispositif utilisé pour l’essai d’écrouissage

Echantillon

Porte échantillon Marteau dur

Came tournante

Ressort

Tableau 1. Composition chimique de l’acier expérimenté

L’observation métallographique des différentes microstructures est réalisée sur un microscope optique type « LEICA » équipé d’une camera.

2.3 Usure

Pour caractériser l’acier en étude, des essais d’usure par frottement, par impact et par écrouissage sont réalisés dans les mêmes conditions d’exploitations industrielles. Les résultats des essais d’usure sont donnés après traitement d’hypertrempe car l’acier est utilisé à cet état.

2.3.1. Usure par frottement

Cet essai est réalisé sur un dispositif de laboratoire normalisé utilisé par l’ensemble du monde industriel (figure 2). Il consiste à mesurer la quantité de matière perdue après passage de 40 m de l’échantillon sur un disque en quartz de granulométrie 120 mm, avec une vitesse de rotation de 120 tours / minute et une charge P de 0.5 Kgf.

2.3.2 Usure par impact

L’impact est un autre type d’usure que subit le matériau en cours d’exploitation et qui conditionne sa résistance et sa durée de vie. Cet essai consiste à mettre les échantillons à tester sous un jet de grenailles en fonte blanche projetées à une pression de 5 bars (figure 4). La perte de matière est mesurée après chaque minute d’intervalle pendant 5 minutes.

2.3.3 Essais d’écrouissage

L’écrouissage est un phénomène de changement structural qui a lieu sans avoir recourt au traitement thermique au cours duquel l’austénite se transforme en martensite sous l’effet des chocs répétés. Le dispositif ayant servi pour cet essai est présenté par la figure 3.

C Si Mn P S Al Cu V

1.40 0.58 12.06 0.058 0.032 0.17 0.23 0.038

3. Résultats et discussions

3.1. Métallographie

L’analyse chimique de l’acier de base est présentée dans le tableau 1. C’est un acier à 12% de manganèse qui se solidifie selon le diagramme Fe-C-Mn donnant lieu à une matrice austénitique dans laquelle sont répartis des carbures de type (Fe, Mn)3C. La présence du manganèse favorise la stabilité de l’austénite et de ce fait permet une augmentation de la solubilité du carbone.

Les figures 4a et 4b présentent les microstructures de l’acier de base à l’état brut de coulée et après traitement thermique respectivement. A l’état brut de coulée, l’acier est constitué d’une structure composée de grains d’austénite et de carbure de manganèse de forme et de finesse variable (figure 5a). Par contre, après traitement thermique (hypertrempe), les carbures précédemment observés sont complètement dissouts dans la matrice. Dans cet état, on observe la présence de deux types d’austénites, l’une enrichie et l’autre appauvrie (figure 5b). Ceci est du à la dissolution des carbures dans la matrice ayant contribué à un enrichissement partielle de l’austénite.

Les micrographies des échantillons d’acier au manganèse alliés au niobium sont présentées par la figure 6 à l’état brut de coulée et après traitement thermique. Le niobium est un élément fortement carburigène, il a un effet affinant sur la microstructure. Il joue le rôle de centre de germination de l’austénite en cours de solidification par la formation de support de cristallisation sous forme de carbure très fin à l’état liquide et agit ainsi sur sa finesse. Cet effet est bien montré par les microstructures des échantillons à 0.10% Nb (figure 6). Mais lorsque sa teneur augmente, un effet contraire est observé. Les précipités prennent une forme presque sphérique et sont répartis uniformément dans la matrice. Leur proportion diminue à 0.10 % Nb par rapport à l’acier de base et augmente à partir de 0.15 %. Par contre à 0.30 %, on observe des précipitations secondaires localisées au niveau des joints de grains d’austénite et sont caractérisé par une forme irrégulière.

Les résultats obtenus montrent que le traitement thermique a permis la formation de deux types d’austénites distinguées sur les micrographies par leurs couleurs et par leurs dimension. L’austénite enrichie occupe un espace plus important à 0.10 % du niobium, mais elle diminue entre 0.15 et 0.20 % Nb. Sa proportion est comparable à celle de l’acier de base. Elle commence à augmenter à partir de 0.25 % Nb par rapport à l’austénite appauvrie (figure 7).

X600 X600

0.20% Nb



Précipités

 appauvrie

 enrichie

a b

X600 X600

0.30% Nb

 appauvrie Précipités

  enrichie

a b

X60 0 X60

0 0.10%

Nb



Précipité s

enrichi e

appauvri e

a b

 enrichie

b X600 X600

0.15% Nb



Précipités

 appauvrie

a

X600 X600

0.25% Nb

 Précipités

 enrichie

 appauvrie

a b

Traité Brut de coulée

3.2. Usure

3.2.1. Usure par frottement

Les résultats d’usure par frottement après traitement thermique sont présentés par la figure 7. A l'état brut de coulée, l'acier de base manifeste une perte de poids par frottement égale à 0.79 % qui diminue à 0.55% après traitement thermique.

Cette nette amélioration de la résistance à l’usure par frottement est due au traitement thermique qui est à l’origine de la dissolution du carbure de manganèse ayant augmenté le durcissement de l’austénite.

L’introduction du niobium dans l’acier étudié, à l’état brut de coulée, a amélioré la résistance à l’usure par frottement. Cette amélioration est due à une augmentation de la quantité de carbures précipités de niobium (figure 7).

A l'état traité, l'addition du niobium à 0.3 % se montre plus influente sur la résistance au frottement que pour le reste des échantillons. Une dissolution importante du niobium est une explication plausible qui justifie ce résultat.

L’addition du niobium n’est pas considérable (0,1 – 0,3%) si elle est comparée aux autres additions. Seulement, il apparaît que le niobium a contribué à une amélioration de la résistance au frottement de l’acier étudié (figure 6).

3.2.2 Usure par impact

L’utilisation de l’essai d’usure par impact sous l’effet des grenailles est nécessaire pour déterminer la résistance à l’usure par impact de l’acier.

Les résultats d’essais par impact après traitement thermique réalisés sur les différentes compositions d’aciers étudiés sont présentés dans les figures 8. Il en ressort que la résistance à l’usure par impact après traitement thermique est très remarquable par rapport à celle obtenue sur l’acier de base. La perte de matière après l’essai d’usure par impact comparée à celle mesurée après l’essai d’usure par frottement est estimée à plusieurs fois plus faible (figure 7 et 8). Ceci peut être interprété par un durcissement de l’acier suite à l’opération d’impact se traduisant par un changement microstructural. L’addition du niobium a amélioré d’avantage cette propriété à l’état brut de coulée et le même effet a été observé sur les aciers à l’état traité (figure 8). Cette amélioration est due à l’élévation du taux de précipités et au durcissement de la matrice sous l’influence de l'élément ajouté.

Ainsi, l’introduction du niobium a permis une amélioration de la tenue à l’usure par impact pour toutes les teneurs utilisées (figure 8).

Perte ,

%

Eléments, % Base

y = 0,2571x²-0,1689x + 0,039 R²= 0,9819

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Nb

Figure 8. Perte masse (%) par impact de l’acier au Nb

Figure 7. Perte en masse (%) par frottementde l’acierau Nb .

Eléments, % Base

y =4.3143x²-2.8437x +0.5072 R² 0.9898

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Perte ,

%

Nb

3.2.3 Essais d’écrouissage

L’utilisation de l’essai écrouissages sous l’effet d’un marteau est nécessaire pour déterminer la résistance au choc de l’acier étudié destiné à la production des pièces de chemin de fer. Ces pièces subissent des heurts importants lors de leur exploitation. C’est pourquoi, cet essai s’avère très intéressant pour simuler les mêmes conditions de travail. La figure 9 a : c’est un acier à 0.3% Nb et b : à 0.25%

Nb représente des micrographies des zones écrouies avec deux épaisseur différente obtenues sur les échantillons étudiés. L’essai d’écrouissage a permis une nette amélioration de la dureté avec un écart de 300 HV entre le cœur et la surface écrouie ceci témoigne de la transformation structurale produite (figure 9 a et b).

4. Conclusion

L’intérêt porté sur l’amélioration des propriétés d’exploitation de l’acier austénitique au manganèse ne cesse de grandir car cet alliage occupe une grande

X60 Partie

écrouie Partie

écrouie

b a

Figure 9 : Microstructures des aciers alliés au niobium montrant les parties écrouies A : 0.3% Nb ; B : 0.25% Nb

X60

600μm 400μm

place dans plusieurs secteurs industriels et surtout ferroviaire. L’atteinte de cet objectif, nous a conduits à allier cet acier au niobium (élément carburigène) à des teneurs variant entre 0,1 % et 0,3 %.

Le niobium a eu un effet remarquable sur les structures observées. Les micrographies, des différents aciers expérimentés, observées avant et après traitement thermique ont présenté une apparition dans les différentes structures micrographiques des carbures précipités de finesse variable par rapport à l’acier de base dans une matrice austénite grossière. Après traitement thermique, une formation de deux types d’austénite, l’une enrichie et l’autre appauvrie et une dissolution totale des carbures précipités sous l’action du ce traitement d'hypertrempe ont été observés.

Quant à la résistance à l’usure, elle est fortement influencée par l’ajout de niobium à l’état brut de coulée et aussi après traitement thermique.

Cette étude a conduit à mettre au point une nuance d’acier répondant aux exigences industrielles avec une structure austénitique très stable et très résiliente et une faible adjonction de niobium. La valeur élevée des résistances à l’usure et de dureté après écrouissage de ces aciers permet d'envisager leur utilisation, après additions de niobium, pour d'autres applications importantes exigeant des propriétés physiques particulières.

5. BIBLIOGRAPHIE

[1] C. Efstathioua, H. Sehitoglu. Strengthening Hadfield steel welds by nitrogen alloying, Materials Science and Engineering A 506 (2009) 174-179.

[2] F. Molleda, J. Mora F.J. Molleda, E. Carrillo, E. Mora, B.G. Mellor, Mild steels coated with 14% manganese covered electrodes (E7-UM-200-K and E1-UM-350):

Phenomena at the steel-coating interface, Materials Characterization 57 (2006) 300-305.

[3] J. Campbell. The new metallurgy and cast metals, Solidification structure castings, Elsevier, second edition, 2003.

[4] J.W.Christian. Rapid Solidification, the Theory of Transformations in Metals and Alloys, Pergamon edition 2002.

[5] R. Ashtana, A.Kumar and N.B. Dahotre, Casting and solidification Materials Processing and Manufacturing Science, Butterworth-Heinemann B.H edition 2006.