Effets thermiques des oxydes au cours de la mise en forme à haute température de roues pour le ferroviaire
La fabrication de roues pour l’industrie ferroviaire à grande vitesse est réalisée à haute température en plusieurs étapes. La première étape concerne la chauffe de la billette en nuance d’acier : la billette est chauffée progressivement dans des fours à gaz pendant 4h jusqu’à la température de 1325∘C. La billette est ensuite transportée jusqu’à sa zone de décalaminage puis acheminée vers les outils de forgeage (Temps moyen de transfert four/outils de forgeage : 40 s.). La mise en forme est alors réalisée en deux étapes afin d’obtenir une ébauche puis la pièce finale forgée. Des opérations de perçages et laminages terminent le processus de fabrication de la roue.
La présence importante et la création d’oxydes avant et après le décalaminage affectent énormément les étapes de forgeage de la roue. Si les travaux antérieurs se sont principalement intéressés aux pouvoirs lubrifiants ou abrasifs des oxydes, peu de travaux ont étudié les conséquences thermiques pendant la mise en forme à haute température. La couche d’oxyde est constituée de wustite, de magnétite et d’hématite. La composition de la couche est fonction de la température. A 700∘C (température d’interface lors du forgeage) la couche est constituée de 95% de wustite et de 5% de magnétite et d’hématite. Cette couche d’oxydes se crée très rapidement et atteint, dans notre cas, plus de 5% du volume total de la billette avant décalaminage. Avec des caractéristiques thermiques des oxydes éloignées des caractéristiques thermiques de l’acier (notamment la conductivité thermique des oxydes qui est 10 fois moindres que celle de l’acier) et l’influence de l’émissivité, l’impact sur la distribution de températures est important et ne peut être négligé. En effet, dans les plages de variation de température considérées, la loi de comportement de l’acier évolue de façon significative et induit des écarts importants sur les efforts de forgeage prédits.
Dans cette étude, nous avons modélisé par Eléments Finis le processus de mise en forme en prenant en compte les couches d’oxydes jusqu’aux étapes de forgeage. L’analyse thermique montre précisément le rôle de barrière thermique qu’ont les oxydes et l’impact sur la mise en forme à haute température de la roue ferroviaire. La confrontation avec des mesures thermiques effectuées sur le site industriel de MG-Valdunes permet la validation de notre modélisation et de notre démarche.