Brevet FR2001963A1 — publié le 19691003

i. 2001963 La présente invention concerne un dispositif pour le traitement de matériaux au plasma, et plus précisément, un dispositif pour le traitement de matériaux au plasma en milieux actifs, de préférence pour la coupe des métaux au plasma. 5 Elle peut être utilisée également pour la fusion superficiel le, par exemple pour éliminer une couche superficielle défectueuse de pièces coulées oijlaminées ou pour la correction locale des défauts des pièces (fissures, soufflures, pellicules d'oxyde, etc..). Il est possible également d'utiliser l'invention pour le 10 chauffage de gaz et de mélanges gazeux chimiquement actifs, ainsi que pour le traitement thermochimique superficiel de matériaux, par exemple pour la nitruration, la cémentation et autres processus analogues. La présente invention peut être utilisée avec une protection 15 complémentaire de l'ensemble cathodique ainsi que sans cette protection. On connaît déjà un dispositif pour le traitement de matériaux au plasma en milieux actifs, de préférence pour la coupe des métaux. 20 Ce dispositif comporte une cathode disposée dans un porte- cathode refroidi.. Ce dernier est réuni par une garniture isolante avec un corps dans lequel sont placées des tuyères refroidies à canaux centraux destinés à stabiliser la décharge en arc. La cathode est en un métal qui forme des composés chimiques avec les 25 constituants du milieu. De tels métaux sont le zirconium, le lanthane, le strontium, l'yttrium, le thorium et leurs alliages. Cependant, l'utilisation du dispositif décrit plus haut est 1 imité en raison des inconvénients suivants de la cathode, c'est-à-dire du matériau dont celle-ci est faite. 30 La cathode décrite a une durée courte de service qui avec des courants d'arc de 300 A ne dépasse pas 4 heures. Avec des courants d'arc supérieurs à 300 A l'usure de la cathode augmente tellement qu'il est pratiquement impossible de l'utiliser. 35 De plus, la cathode connue n'est pas suffisamment stable en service. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités. Elle a pour but de fournir un dispositif pour le traitement 40 de matériaux au plasma en milieux actifs, de préférence pour la 69 3613 2. 2001963 coupe des métaux, dont la cathode s'use au minimum ou ne s'use pratiquement pas avec les courants d'arc de 300 A, qui est capable de fonctionner de façon stable avec des courants "d'arcs supérieurs à 300 A et dont la durée de service de la cathode avec 5 des courants supérieurs à 300 A dépasse 4 heures. Ce but est atteint par utilisation d'un dispositif pour le traitement des matériaux au plasma eryfiilieux actifs, de préférence pour la coupe des métaux, dans lequel la cathode est fabriquée en un métal qui forme des composés chimiques avec legéons-10 tituants du milieu, ce dispositif étant caractérisé suivant l'invention en ce qu'on utilise le nafniura (Hf) comme métal qui forme des composés chimiques avec les constituants du milieu. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. 15 Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemplê, est représenté schématiquement,en coupe longitudinale, un dispositif pour la coupe des métaux au plasma en milieux actifs. Le dispositif représenté comprend un corps 1 dans lequel se trouve un porte-cathode 2 et est montée une tuyère y&vec un canal 20 central 4 destiné à stabiliser la décharge en arc 5. Pour éviter l'apparition d'un arc double lors d'un contact accidentel de la tuyère 3 avec l'objet traité 6 ains^ue pour accroître la longueur totale du canal stabilisateur 4, on peut monter au moins encore une tuyère 7 (représentée en traits dis-25 continus sur le dessin). Le porte-cathode 2 est fixé par l'intermédiaire d'une douille isolante 8 dans le corps 1 et est refroidi par un agént réfl-gérant amené par un tube 9 monté à l'intérieur du porte-cat'node. Les tuyères 3 et 7 comportent des canaux 10 et 11 par les-30 quels passe l'agent réfrigérant. Lorsqu'on utilise plusieurs tuyères, par exemple deux, on place entre elles une garniture isolante 12(indiquée en traits discontinus sur le dessin). On peut utiliser comme agent réfrigérant de l'eau ou un gaz. Le corps comporte un orifice 13 pour l'admission du gaz plas-35 mogène, par exemple de l'air, de l'azote ou des mélange^de gaz renfermant de l'oxygène ou de l'azote. Dans le porte-cathode 2 et affleurant sa surface est montée à la presse une cathode 14 en un métal formant des composés.chimiques avec les constituants du milieu. Ces composés doivent avoir 40 les propriétés suivantes. Ils doivent former sur la surface de la cathode 14 une pelliculé réfractaire, par exemple d'oxyde, de 69 3613 3. 2001963 nitrure ou de carbure. Ensuite, ces composés doivent avoir des paramètres élevés d'émission thermoélectronique, c'est-à-dire de faibles valeurs de travail de sortie des électrons. Selon l'invention, on utilise comme métal de ce type l'haf-5 nium (Hf) qui, lors de la réaction avec l'oxygène , l'azoté ou le carbone faisant partie du gaz plasmogène, forme sur la surface de travail une pellicule constituée d'oxyde, de nitrure ou de carbure réfractaire d'hafnium. Cette pellicule présente une faible valeur de travail de sortie des électrons. 10 En plus, la structure et les propriétés thermophysiques de la pellicule sont telles que la diffusion réactive des constituants actifs du milieu plasmogène devient difficile, et, dans certaines conditions, s'arrête même complètement. Ce phénomène permet d'augmenter considérablement la durée de 15 service de la cathode et d'augmenter le courant de façon qu'il dépasse 300A. * 3. Le porte-cathode 2 du dispositif estTun potentiel négatif et l'objet traité 6 à un potentiel positif. La décharge en arc 5 fonctionne entre la cathode 14 et l'objet 6 en passant par le 20 canal stabilisateur de la tuyère 3. Si on utilise une tuyère complémentaire 7j la décharge 5 passe aussifcar un canal stabilisateur 15 de la tuyèr.e 7. Dans ce cas, les tuyères 3 et 7 sont montées de façon que les axes de la cathode 14 et les canaux 4 et 15 coïncident. 25 Le gaz actif arriv^dans le dispositif par l'orifice 13 et passe avec la décharge en arc 5 par les canaux 4 et 15. Les essais du dispositif décrit plus haut avec une cathode en hafnium lors de la coupe d'aciers doux dans l'air ont montré que la cathode en hafnium ne s'use pratiquement pas .avec des 30 courants atteignant 400 A. Avec des courants d'arc dépassant 400 A, la durée d^éervice de la cathode est de 6 à 10 heures. L'utilisation d'un courant de service de 400 A et plus a permis d'augmenter la vitesse de coupe de l'acier doux de 1,5 à 2 fois par rapport aux vitesses utilisées précédemment. 69 3613 2001963 REVENDICATION Dispositif pour le traitement de matériaux au plasma en milieux actifs, de préférence pour la coupe des métaux, comprenant une cathode en un métal formant des composés chimiques avec les constituants du milieu, caractérisé en ce qu'on utilise 1'hafnium comme métal formant des composés chimiques avec les constituants du milieu.