Brevet FR2183590A1 — publié le 19731221

I1 a déja été décrit un procédé qui, en utilisant des temps de chauffage très courts sur des surfaces métalliques, permet d'obtenir des couches superficielles très dures et à texture fine. Ce traitement de surface est en plus, résistant à la corrosion L'objet de cette invention part des connaissances déja acquises et donne une combinaison constructive permettant de réaliser pratiquement cette méthode de trempe. De telles contextures sont décrites sous le nom de "couches blanches" et révèlent une dureté située entre 900 et 2 1 700 kp-mm . Ces couches blanches se produisent sur toutes les catégo- ries d'acier au carbone, quand lors du traitement on les porte spontanément à une température élevée, qui s'abaisse ensuite par auto-refroidissement. Cette température doit être beaucoup plus élevée que la température normale pour le traitement, et est souvent située à proximité du point de fusion. Suivant l'invention, on utilise comme source d'énergie un générateur "haute fréquence" conventionnel ayant par exemple une fréquence située entre 20 et 40 MHz A l'encontre de générateurs courants de cette sorte, tels qu'ils sont utilisés par exemple pour le soudage de feuilles de plastique, le générateur doit avoir un circuit oscillant de très bonne qualité avec un coefficient de surtension : 100 Son efficacité sur le matériau à traiter est donc également uniquement une fraction de sa valeur totale. De ce fait, il était nécessaire de réaliser des appareils de trempe par induction énorme, qui s'avéraient peu intéressants dans la pratique. En utilisant des circuits oscillants de grande qualité, on peut obtenir par exemple, pour un Q de 200 avec une énergie oscillante de 10 KW, une oscillation de 1 MVA. Si l'inducteur est alimenté par le circuit oscillant avec une telle énergie, il est possible d'obtenir un degré d'efficacité extrêmement élevé. A cet effet, une boucle de couplage est introduite dans le circuit, et l'inducteur de chauffage proprement dit est mis en parallèle avec cette boucle de couplage. Toujours en parallèle avec les deux, se trouve un condensateur d'équilibrage qui permet un accord de résonance à peu près exact entre le circuit principal et le circuit de chauffage. En figure 1, position 1, est représenté un circuit de grande qualité qui, par exemple, 3 pour un volume de 1/4 de m peut être réalisé avec de la feuille de cuivre argentée. 1l est accordé à l'aide d'un condensateur AR2, de telle sorte que l'on puisse travailler à une fréquence, par exemple, de 27, 12 MHz ou sur une fréquence plus haute ou plus basse.Ce circuit est alimenté d'une façon conventionnelle par un tube oscillateur 3; l'anode de ce tube étant reliée au circuit par l'intermédiaire d'un condensateur de couplage(41. Le couplage à contre-réaction s'effectue par l'intermédiaire d'une boucle (5), à travers un condensateur de grille (6) et d'une résistance de charge (7). 1l est ainsi possible de délivrer directement sur l'anode du tube (3) une impulsion rectangulaire, au moyen de la bobine (8). Mais il est également possible, suivant l'invention, de réaliser un transformateur spécial différentiel à impulsions qui entoure avec son secondaire (9) et son primaire (10) un noyau d'acier (11). Pour réaliser une déviation de la haute fréquence ou éventuellement un court-circuitage de la haute fréquence, on utilise un condensateur (12) de faible inductance. Si maintenant, par l'intermédiaire d'un commutateur électronique (14), par exemple un gros thyristor ou un ignitron ou même un commutateur classique, on décharge un gros condensateur (13) sur la bobine (6), il se produit suivant la figure(2)une montée du courant suivant la courbe A dans le bobinage primaire. Ceci a pour effet que la première déviation de ce courant se produit dans le secondaire sous forme de tension, représentée par la courbe B. Comme on peut le constater, il est possible d'obtenir que la montée régulière de la courbe produise sur le petit condensateur (12), une impulsion secondaire pratiquement rectangulaire. I1 est ainsi possible de travailler avec des tensions de travail très élevées sur l'anode du tube (3); cette tension peut atteindre par exemple, jusqu'à 10. 000 V. Pour des tensions de travail aussi élevées, il n'existe pas de thyristors ou semiconducteurs appropriés, de sorte qu'il est nécessaire d'utiliser des montages à tubes. Pour pouvoir utiliser des thyristors qui, normalement, ne peuvent supporter que des tensions d'environ 1 kV, mais qui, par contre, supportent des intensités très élevées, on utilise en position 44 un thyristor avec une tension de travail de seulement 1000 V et le condensateur 3)aurait dans ce cas, une capacité 100 fois supérieure mais une tension qui représenterait seulement 1/10 de la tension du condensateur (12). Le condensateur (13) est chargé avec une haute tension stabilisée par le redresseur (15), qui charge l'ensemble des condensateurs (16) assez rapidement pour permettre une fréquence de par exemple, 20/sec. Pour transmettre l'oscillation du circuit (1) avec un grand degré d'efficacité sur l'inducteur, la boucle de couplage (16) est introduite dans le circuit oscillant (1), la qualité du circuit oscillant et la géométrie de l'introduction de la boucle (16) étant liées. Plus la qualité'du circuit oscillant (1) est bonne, plus la surface entourée par la boucle (16) à l'intérieur du circuit (1) doit être réduite. Cette surface est représentée sous la position 16 A. En parallèle avec la boucle de couplage (16) se trouve l'inducteur de chauffage (17), qui est à proximité de la surface du matériau à traiter. Cet inducteur de chauffage est adapté à la fréquence de travail du circuit oscillant 1 - 2, à l'aide d'un condensateur fixe, par exemple le condensateur céramique (18), et du condensateur AR réglable (19). De ce fait, il se produit dans le circuit oscillant (16, 17, 18) des charges à vide extrêmement élevées qui peuvent provoquer dans l'inducteur (17) des oscillations à vide de 1 MVA. Ces charges oscillantes à vide ont comme conséquence que sur la boucle de l'inducteur (17), qui n'est constitué que par une boucle unique ou par un morceau de fil droit, se produisent des tensions de l'ordre de quelques kV. Pour éviter que ces tensions passent sur la pièce à traiter (20), il est nécessaire de placer une feuille d'isolement (21) devant cette pièce à traiter ou de coller une telle feuille sur cette pièce. Des feuilles d'isolement résistant à une température jusqu'à 10000 C peuvent entre aisément trouvées dans le commerce. A l'aide de ces feuilles, il est possible, avec un bon isolement, d'obtenir des températures de trempe sur la superficie de la pièce à traiter (20) très élevées. I1 est également possible de refroidir la pièce en soufflant du gaz carbonique ou de l'azote, ou même de l'air, en direction de la flèche 22. Pour certains matériaux, il est également possible d'utiliser de l'Argon. Ceci ne provoque pas uniquement un refroidissement de la surface, mais chasse les ions qui pourraient se produire pendant la durée de l'impulsion et qui risqueraient de provoquer un passage de courant. Pour ceci, il est nécessaire que la vitesse d'écoulement du gaz (22) soit assez élevée, et il peut parfois être nécessaire d'utiliser des turbines qui travaillent dans un domaine proche de la vitesse du son. Si on utilise une vitesse d'écoulement du gaz aussi élevée, l'effet de refroidissement du gaz est à peu près le meme que l'auto refroidissement de la pièce à traiter (20). Le refroidissement de la pièce réchauffée par l'impulsion de la bobine (17) est donc provoqué aussi bien par l'écoulement du gaz en direction (22) que par l'auto-refroidissement de la pièce indiquée en direction (23). Pour obtenir les textures indiquées comme textures blanches, on travaille avec des durées d'impulsions situées entre 0, 5 à 10 msec.Il est recommandé pour des rythmes de production élevés, de laisser la pièce continuellement en mouvement et de ne déclencher l'impulsion que si la pièce est dans la bonne position par rapport à l'inducteur (l7 Pour ceci, on peut facilement concevoir un dispositif de synchronisation avec déclenchement commandé par Laser. Sur la figure 3 - 30, on représente un Laser conventionnel au néon-hélium qui envoie un faisceau (31) à travers la pièce à traiter, par exemple les dents d'une scie La photodiode (33) reçoit cé faisceau qui est amplifié dans un amplificateur différentiel (34), et qui ensuite, à travers un circuit de pilotage (35); actionne le thyristor (14). Les signaux (36) sont représentés sur la ligne (35).Dans ce cas, avec une machine bien dimensionnée, on peut produire jusqu'à 20 impulsions/sec avec des tubes qui ont une perte moyenne de puissance d'anode de seulement 2 KW, pour laquelle les tensions de crête de l'anode peuvent être de 10 à 15 kV alors que les performances à vide dans le circuit oscillant 1 et 2 peuvent aller jusqu'à 6 MVA. Pour permettre de bien régler une telle installation, il est nécessaire de réaliser des montages spéciaux. Le commutateur(24)esquissé dans la figure(1),commande le tube émetteur sur une tension de service réduite par l'intermédiaire de la résistance(252 en le commutant sur le générateur "basse tension" kl5}. Ainsi, le circuit oscillant fonctionne au 1/100 de son énergie maximale. Pour un réglage précis de la résonance, réglable à l'aide du condensateur(19), on peut utiliser une petite antenne (26)reliée à une petite lampe 27). Lorsque cette lampe est à son intensité maximale, on peut être certain que lors de la commutation sur la puissance maximale, un travail correct est garanti. I1 est possible d'obtenir de très bons résultats en réglant l'inducteur sur sa résonance de telle sorte que la résonance complète ne soit atteinte que pour le point de Curie ou le dépassement de cette température sur la surface à traiter de la pièce (20. Il est connu que l'acier est affecté d'une grande perméabilité en-dessous du point de Curie, alors qu'il est d'une perméabilit é normale au-dessus de cette température.Si le réglage est effectué sur une pièce d'essai avec une perméabilité ferro-magnétique défectueuse telle que le cuivre ou le laiton, on obtientlque lors du début de l'impulsion, c > est-à- dire pendant les premièresylsec, l'énergie totale ne soit pas efficace sur la pièce mais que par la suite de l'impulsion, et lors du dépassement du point de Curie, le réchauffement de la pièce s'effectue spontanément et d'une façon extrtmement brutale, de sorte que dès qu'il y a dépassement du point de Curie, le bon accord soit réalisé et que la puissance à vide soit transformée en puissance efficace. L'invention nécessite une impulsion qui ne décroft pas lentement, mais qui soit brutalement interrompue. On cherche donc à obtenir une impulsion de chauffage très courte, qui ne provoque un réchauffement que sur une couche très superficielle de la surface du matériau à traiter. Si la trempe doit entre plus profonde que cette couche mince qui souvent n'est que de 3/100 mm, il faut choisir une durée d'impulsion plus longue par exemple de 50 msec et obtenir par conduction de chaleur une profondeur plus grande de la zone chauffée qui peut entre de l'ordre de 2/10 mm. Pour rendre l'inducteur particulièrement efficace pour de telles qualités de transformation d'énergie, on représente un exemple en figure 4. L'inducteur (17)est réalisé par un tube dont les extrémités coniques sont emmanchées sur les électrodes(43) Ces électrodes constituent une partie du condensateur (19) du fait que ses surfaces intérieures 19 A et 19 B sont isolées par une feuille (40 ) . Ces électrodes sont construites de telle sorte qu'il soit dja possible de réaliser des capacités de lfordre de 100 pF, de façon à réduire la valeur des condensateurs (18)et (lc) Dans cette réalisation, les inducteurs peuvent être facilement changés et refroidis par de l'eau sous pression qui s'écoule à travers les orifices (45)et (46). La pression de l'eau peut aller de 8 bars à 40 bars, pression qui dans certains cas s est révélée nécessaire lorsque le diamètre intérieur du tube est de 2/10 de mm. On peut pour cela utiliser des tubes en argent étiré. 1l est également possible d'utiliser des tubes en acier étiré recouverts d'une couche de cuivre ou d'argent. Plus la vitesse d'écoulement du milieu de refroidissement est grandie, plus la fréquence des impulsions de traitement peut être élevée. Pour concentrer l'énergie passant par l'inductaur(17)sur la pièce à traiter, il est possible d'entourer celle-ci complètement ou partiellement d'un matériau ferrite (47 On peut trouver aujourd'hui dans le commerce des ferrites "haute tension" qui ont une perméabilité de l'ordre de 600 à 1500 et qui représentent en pratique un court-circuit magnétique du volume d'air qui se trouve en-dehors de la pièce à traiter. On obtient ainsi, comme l'indique la figure (5) qu'à travers l'isolement (21l la pièce (20)se trouve dans un champ très intense, pratiquement sans perte. Le choix judicieux du matériau magnétique (47) permet d'obtenir que pour un courant élevé dans l'inducteur (17), la perméabilité /u baisse et donc également l'inductivité et que, si le courant baisse dans la boucle (l7 la perméabilité augmente. En cas de dépassement du point de Curie sur la surface à traiter de la pièce g0) liée à une augmentation du rendement énergétique et à une baisse de puissance à vide, la perméabilité (47)augmente. On obtient ainsi qu'aussi bien en-dessous qu'au-dessus du point de Curie, on ait à peu près les mêmes conditions d'accord "haute fréquence". Un choix apprcprié des ferrites permet, par cet effet de compensation, de réchauffer la pièce à traiter pendant la phase entourant le point de Curie. Lors des essais, il s'est révélé que l'eau ordinaire était un très bon isolant pour des impulsions aussi courtes, et que son isolement était de l'ordre de 200 kV/cm. ll est donc possible d'utiliser de l'eau à la place du gaz sous pression représenté en (22) de la figure 1 et d'isoler la surface de la pièce à traiter de l'inducteur (17) avec de l'eau ordinaire. La feuille d'isolement 21 devient, dans ce cas, superflue. L'isolement réalisé par l'eau est à peu près de mame qualité que celui qu'on obtiendrait avec de l'air sous pression à 7 bars entre la pièce à traiter et l'inducteur. Que l'eau participe au refroidissement de la surface traitée n'est qu'un avantage supplémentaire, son ralle essentiel étant de réaliser un isolement. Pour réaliser un certain nombre de surfaces devant resterstrès brillantes et sans altération, on peut utiliser d'autres liquides de refroidissement que l'eau, par exemple le métalol, qui permet d'obtenir des surfaces métalliques très brillantes après la trempe. Si, dans ce cas, on ne veut pas utiliser de liquide, on peut prendre également du propane, de l'hydrogène ou du méthane qui s'écoulerait en direction de la flèche 22, de sorte que la surface reste nette et brillante après le traitement. Mais, dans tous les cas, c'est surtout l'auto-refroidissement de la pièce qui est à l'origine du traitement, car, en tout état de cause, un acier au carbone a une conductibilité calorifique qui est environ de 1000 fois supérieure à un bon gaz de refroidissement.Le point important pour la production de ce qui est appelé "couches blanches" n'est pas seulement le réchauffement spontané à une température élevée, légèrement en-dessous de la température de fusion, mais essentiellement un refroidissement spontané, ce qui, en pratique, n'est possible que par l'auto-refroidissement de la pièce, faiblement aidé par un gaz ou par un liquide. On peut faire remarquer que le refrcidissement supplémentaire apporté par l'eau, l'huile, ou le métalol, amène une petite amélioration du procédé si on veut traiter des épaisseurs plus importantes de l'ordre de 0, 2 mm, et en utilisant des impulsions de durée plus longues, de l'ordre de 10 ms. Pour des impulsions aussi longues, l'auto-refroidissement est plus important dans les couches intérieures, alors que les couches extérieures restent chaudes un peu plus longtemps. De ce fait, lors d'essais de dureté, on trouve sur les couches extérieures une dureté inférieure à celle des couches intérieures.Le fait d'utiliser un gaz ou un liquide pour le refroidissement permet d'obtenir une dureté plus homogène sur toute la couche traitée qui peut atteindre, par exemple, 0, 2 à 0, 3 mm d'épaisseur, sur 2 lesquels on a pu obtenir des duretés jusqu'à 950 kp/mm pour des scies en bande en acier au carbone. Le procédé ne nécessite pas de chauffage supplémentaire qui est nécessaire avec-les systèrnes classiques pour éviter que le métal traité soit friable. Les couches blanches ainsi obtenues sont très élastiques et ne deviennent pas friables. La texture obtenue à l'aide de ce procédé est tellement stable qu'elle ne commence à se décomposer qu'après un chauffage à 4500 C, pendant six heures. L'appareil décrit dans l'invention peut être largement automatisé. La température optimale de traitement peut être réglée automatiquement en cas de variation de la qualité du matériau à traiter. On construit à cet effet, suivant la figure 6, un dispositif auxiliaire qui a fait ses preuves La pièce à traiter représentée en 20 sur la figure 1 est dans ce cas une lame de scie. L'inducteur 17 qui doit traiter une partie des dents de scie, entoure par exemple de chaque catéyavec chaque fois une spire, la lame de scie qui défile.Les dents de la scie déclenchent elles-même automatiquement les impulsions à l'aide d'une barrière lumineuse représentée en figure 3. Le processus est le suivant: La barrière lumineuse commande le début de l'impulsion, la durée de cette impulsion étant choisie délibérément au départ trop longue. Cette impulsion peut être court-circuitée à l'aide d'un commutateur électronique, tel qu'un Ignitron monté en parallèle, ou un thyratron "haute tension". Le rayonnement calorifique émis par la surface 50 du matériau 20 est amené sous forme de faisceau 51 par une optique et un filtre 53 sur une photodiode 54. Cette photodiode est équipée avec une source de tension 55 et une résistance de charge 56.Les impulsions provenant de cette photodiode 54 sont envoyées vers un amplificateur spécial 57, qui lorsqu'il est saturé1 délivre une impulsion sur la sortie 58, impulsion qui peut par exemple interrompre l'impulsion principale du tube 3. En pratique, on peut également utiliser un dispositif à thyratron, de façon que le thyratron absorbe le courant restant, à la place du tube principal. Ce thyratron est représenté en 59. Si on utilise pour cela un thyratron à hydrogène, qui a une émission supérieure à 300 A et supporte une tension de crête de 15 à 20 kV, il est possible, sans difficulté, d'amorcer, à l'aide de l'impulsion (58), la grille du thyratron à hydrogène (59), de façon que le courant restant de l'impulsion passe par le thyratron à hydrogène au lieu de passer par le tube oscillateur. Si le filtre (53)est choisi de telle sorte qu'il ne réponde par exemple qu'à une température de couleur supérieure à 1200 C (filtre légèrement bleuté), on peut provoquer une augmentation spontanée du courant de la photodiode (54) dès l'obtention de la température optimale et couper ainsi l'impulsion principale.On obtient donc une température de trempe constante et ceci automatiquement même si la structure superficielle des matériaux à traiter est très variable. Pour cela, il est important que seule une petite partie représentative de la zone chauffée influence la photodiode. Pour le filtre (53 un certain nombre de matériaux sont actuellement disponibles, qui peuvent être des filtres oranges, verts ou bleus, de sorte qu'il soit possible de trouver des filtres appropriés à la température de trempe que l'on désire. L'impulsion de trempe est encore une fois représentée en figure 7. Au point (/) la barrière lumineuse ou un contact déclenche l'impulsion par l'intermédiaire du thyristor (14) L'impulsion s 'arrêterait normalement au point b, qui correspond au temps réglé.A l'aide de la cellule photoélectrique auxiliaire (53), qui mesure la température, le thyratron (59)est amorcé au point (C) de la courbe de l'impulsion, de sorte que celle-ci est arrêtée dès que la température désirée est obtenue. I1 est possible d'ajouter au circuit amplificateur (57) une ligne à retard avec laquelle l'impulsion ne serait pas arrêtée en c, mais un peu plus tard, par exemple en d, ce qui permettrait un réchauffement plus en profondeur. la représente l'impulsion de courant approprié. Cette coupure de l'impulsion représentée en figure 7 peut être réalisée avec des montages très simples. L'arrêt spontané de l'impulsion de chauffage nécessaire à un bon traitement est obtenu pa r le court-circuit du tube émetteur à l'aide du thyratron à hydrogène 59 ou d'un Ignitron "haute tension". De ce fait, on n'a pas besoin de montage compliqué permettant de produire des impulsions rectangulaires. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le traitement thermique, permettant d'obtenir une structure cristalline extrêmement fine, caractérisé par le fait que: a. L'impulsion de chauffage a une durée inférieure à 0, 1 sec et la chute de cette impulsion est extrêmement raide avec un temps inférieur à 1% de la durée totale de l'impulsion. b. Le générateur "haute fréquence" a une fréquence de travail supérieure à 50 MHz avec une qualité de circuit oscillant supérieure à 100. c. Le tube oscillateur qui alimente le circuit a une ré;sistance interne relativement faible, de préférence inférieure à 100 ohms. d. Ce tube est alimenté par une impulsion qui a un temps de montée très court et une descente rapide; le temps de cette chute étant inférieur à 1% de la durée de l'impulsion. e. L'inducteur qui échauffe la pièce à traiter est alimenté par une boucle couplée de faible inductance, 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation du tube oscillateur s 'effectue au moyen d'une impulsion produite par un transformateur différentiel dont on décharge dans le primaire un conden sauteur Cette décharge s 'effectue à travers un thyristor piloté par une barrière lumineuse, qui peut être constituée par un rayon Laser. Ainsi, pendant la montée pratiquement régulière du courant de décharge dans le secondaire, on délivre une impulsion de tension de forme trapévoidale ou rectangulaire sur le tube 3.Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que la boucle de couplage est montée en parallèle avec l'inducteur et que les deux ont en commun un ou plusieurs condensateurs en parallèle dont au moins 1 est ajustable. Cet inducteur peut être construit en tube métallique, tube en argent étiré ou en acier étiré recouvert d'une couche de cuivre ou d'ar gent, dans lequel s'écoule de l'eau ou de l'air pour le refroidissement. 4. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'inducteur de chauffage peut être partiellement entouré de ferrite ayant une perméa bilité supérieure à 100 et des pertes "haute fréquence11 réduites pour les fréquences supérieures à 15 MHz Ces ferrites doivent avoir une perméabilité décroissante lorsque l'aimantation augmente. Le courant traversant les inducteurs est ainsi directement lié à cette perméabilité de telle sorte que si la température de la surface à traiter est au-dessous du point de Curie, la perméabilité est réduite alors que si ce point est dépassé, cette perméabilité est plus élevée afin d'obtenir un effet de compensation. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'entre la pièce à traiter et l'inducteur de chauffage, se trouve une plaque de céramique ou une feuille de plastique résistant aux températures élevées, isolant ainsi l'inducteur de la surface à traiter. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un gaz neutre ou réducteur est soufflé à grande vitesse, éventuellement à l'aide d'une soufflante, entre l'inducteur et la pièce à traiter, pour provoquer simultanément une atmosphère neutre ou réductrice ainsi qu'une désioni sation dans l'espace interZlectrodes. Ceci peut également être obtenu par l'écoulement d'un liquide tel que de l'eau ou du méthanol, qui donne isolement supérieur d'un facteur 7 à celui de l'air, 7. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que la haute tension est commandée par un thyristor dont la tension de service ne représente qu'une fraction de la tension anode. Le rapport du transfor mateur d'impulsions devra correspondre à la tension de service du thyristor et à la tension crête exigée sur l'anode. 8. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'une photodiode permet d'arrêter automatiquement l'impulsion de chauffage si la tempé rature de surface nécessaire au traitement est atteinte sur le matériau à traiter. Cette photodiode permet à l'aide d'un montage électronique approprié, de couper la haute tension du tube oscillateur. 9, Dispositif selon revendication 8, caractérisé par le fait qu'entre la photodiode et l'électronique qui provoque l'arrêt de l'impulsion, soit intercalé un élément de retard réglable