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Acier laminé CogX : quand dureté rime avec usinabilité

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Acier laminé CogX : quand dureté rime avec usinabilité
Par CB, le 22 octobre 2019
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Vossloh Cogifer SA a développé une nouvelle nuance d’acier destinée aux cœurs de croisement fortement sollicités. Depuis sa première présentation en 2018, cet acier laminé à chaud ultrarésistant a démontré sa capacité d’adaptation dans divers projets pilotes réalisés sur des voies ferroviaires à fort trafic ou forts tonnages. 

Pièces maîtresses de l’infrastructure ferroviaire, les cœurs et les croisements doivent répondre à des exigences particulières car une brève interruption de la surface de roulement entraîne des chocs et une usure plus importante. Afin d’augmenter la robustesse et la durée de vie de ces équipements, Vossloh a fait équipe avec ArcelorMittal Industeel pour développer une nouvelle nuance d’acier laminé à chaud dont la principale caractéristique est sa plus grande résistance à l’usure et aux chocs sans aucune compromission au niveau de sa soudabilité.

Un large éventail d’applications
Avec un dureté minimale initiale de 450 HB et une dureté sur la surface de roulement supérieure à 550 HB après durcissement en service, le CogX présente une dureté supérieure à l’acier Cogidur (370-420 HB) actuellement utilisé pour les aiguillages et cœurs de tramways, tout comme à l’acier moulé au manganèse d’une dureté initiale de 200 HB ou 320 HB s’il est prédurci par explosion et jusqu’à 500 HB en service. « Ces propriétés permettent d’augmenter la charge par essieu et la vitesse, ce qui élargit considérablement le champ d’application du CogX. Actuellement, quatre prototypes font l’objet d’essais intensifs dans le cadre de divers projets pilotes sur une période d’un an » annonce Sylvain Schmitt, chef de projet spécialisé en soudage et matériaux au département R&D du centre de technologie de Vossloh à Reichshoffen. Plus précisément, cet acier a été testé au Royaume-Uni, sur une ligne de tramway ; en Suède, sur une ligne conventionnelle du projet européen Capacity4Rail (C4R) avec des vitesses allant jusqu’à 160 km/h ; en Belgique, sur une ligne destinée au fret lourd et en Mauritanie, sur une ligne industrielle destinée au fret lourd avec des charges par essieu allant jusqu’à 36 t. « Les données mesurées sur le terrain confirment les résultats positifs des séries d’essais déjà réalisés en ce qui concerne la stabilité de profil et la résistance au fluage. Les simulations du comportement dynamique de la voie et de l’élément de construction, l’évaluation des performances des composants-clés ainsi que les essais internes et externes ont montré que les cœurs de croisement en CogX présentent un taux d’usure inférieur et requièrent, par conséquent, moins d’entretien que ceux en acier laminé Cogidur ou en acier au manganèse moulé et prédurci par explosion » explique l’ingénieur. À titre d’exemple, la comparaison des mesures de profil entre des cœurs de croisement en CogX et en Cogidur présentant une géométrie identique montre clairement que la surface de roulement du croisement en CogX ne présente ni fluage de matière ni déformation après les essais d’usure avec une charge par essieu de 36 t chacun (fig. 5). Dans ce contexte, Vossloh prévoit une augmentation de la durée de vie des composants de 30 % et une fiabilité 40 % plus élevée qu’avec l’acier au manganèse et jusqu’à deux fois plus qu’avec l’acier Cogidur.

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Le matériau est généralement fourni sous forme de tôles fortes avec des dimensions allant jusqu’à 6 000 mm x 2 000 mm et une épaisseur de 60 à 200 mm. Sur cette base, les cœurs de croisement, y compris les pattes de lièvre, les aiguilles et les blocs demi-aiguillages, peuvent être usinés avec une grande précision. Cela permet, d’une part, un très bon réglage de la conception et, d’autre part, une adaptation très précise de la géométrie des roues des différents véhicules ferroviaires au contact du rail. « Les caractéristiques de traitement simplifient et raccourcissent également le développement de prototypes car les structures peuvent être fraisées avec précision à partir de la plaque en acier. Il est ainsi possible de réaliser de nombreuses conceptions nouvelles pour les différents types de voies : croisements ou demi-aiguillages pour tramways, cœurs de croisement ou pointes de cœur pour voies conventionnelles ; cœurs de croisement pour voies destinées au fret lourd  ou pour des lignes de métro… »

Durcissement en service et soudabilité optimales
L’acier CogX a une résistance à la traction minimale de 1 400 N/mm² et une dureté initiale minimale de 450 HB. Offrant les meilleures propriétés en termes de qualité dans cette plage de résistance, le CogX durcit également en service. Après une brève phase initiale, la dureté à la surface de roulement atteint 550 HB ou plus, et est donc comparable à celle d’un cœur de croisement en acier moulé au manganèse. Après le passage de 3 à 5 Mt brutes, on observe déjà un durcissement significatif qui s’achève avant d’atteindre les 10 Mt brutes sans aucune modification tangible de la géométrie de la surface. Les propriétés de contact entre la roue et la surface sont ainsi maintenues. En résumé, le CogX offre non seulement les propriétés mécaniques les plus élevées disponibles, mais également les propriétés caractéristiques de l’acier au manganèse.
Outre les avantages mécaniques, le nouveau matériau se distingue également par son excellente soudabilité. Dans ce contexte, il convient en particulier de souligner la possibilité de réaliser un soudage par étincelage pour le raccordement à des rails conventionnels. « Il n’est donc plus nécessaire d’utiliser un troisième matériau, comme c’est le cas pour le soudage des cœurs de croisement en acier au manganèse sur les rails » précise Sylvain Schmitt. Le soudage par étincelage réduit également le risque de défaillance dû à la fatigue du matériau et assure le maintien des propriétés de contact des surfaces. Parallèlement, il garantit une augmentation de la capacité en termes de production de 30 % par rapport au procédé avec trois matériaux. Le matériau supporte également le soudage à l’arc qui requiert des températures de préchauffage nettement plus basses (entre 150 et 250 C) que le soudage conventionnel sur site des rails qui nécessitent d’être préchauffés à des températures allant jusqu’à 400 C. Enfin, le CogX permet d’assurer un contrôle par ultrasons précis aussi bien avant l’usinage au niveau des soudures et pendant l’exploitation de la voie.

En complément de la gamme
« Lors du développement du CogX, l’objectif n’était pas de remplacer les solutions existantes. Depuis son introduction en 2001, l’acier laminé Cogidur a fait ses preuves, en particulier dans la construction « en sandwich » économique et extrêmement durable. Un monobloc Cogidur est également utilisé pour la fabrication des rails Vignole qui peuvent supporter des charges par essieu allant jusqu’à 22 t » tient à souligner le chef de projet. Il existe toutefois des zones spécifiques dans tout réseau de transport qui constituent de véritables défis pour les équipes de maintenance, notamment lorsque le trafic est particulièrement dense. Le CogX assure la faisabilité industrielle et la fiabilité nécessaires pour ces zones sensibles. Bien que la résistance à l’usure réduise le besoin de maintenance, la possibilité de réparer la voie est entièrement préservée. « Le CogX est donc recommandé pour de multiples applications dans les réseaux ferroviaires urbains ou territoriaux à fort trafic avec des vitesses allant jusqu’à 160 km/h. Les propriétés du matériau permettent également des tonnages plus élevés pour les exigences particulières du fret lourd » conclut Sylvain.Schmitt.
 

©Vossloh. Essais en Mauritanie
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