Brevet FR2151090A1 — publié le 19730413

Au cours du traitement thermique des étaux et des alliages, tel que la suppression des contraintes, l'homogénéisation, le durcissement,le revenu , le recuit ou autres processus technologiques, tels que les traitements de passivation ou durcissement par des métaux fondus ou de soudure par rapprochement, il est avantageux dans certains cas de chauffer et de recuire respectivement les pièces, ébauches ou analogues ou les semiproduits, tels que les fils, les tiges, les tubes ou les bandes au moyen de la chaleur par effet Joule du courant qui y passe. La production du courant requis dans la pièce à chauffer au moyen d'une alimentation encourant ou de solutions de contact connuesjusqu a maintenant est cependant souvent difficile à cause des surfaces métalliques non propres, éventuellement articulées,grossières, recouvertes d'oxyde, ou de calamine, lesquelles surfaces ne peuvent pas par conséquent accepter suffisamment le courant, ou bien à cause du déplacement rapide de l'objet ou bien encore à cause d'autres raisons.Le procédé suivant la présente invention remédie à cet inconvénient et po pose une solution en établissant un contact par plasma gazeux sur un point, deux points ou plus de la pièce métallique à chauffer et en fournissant le courant, produisant de la chaleur Joule, par le plasma gazeux formant respectivement un milieu de bonne conductivité et un contact avec la pièce. L'art antérieur du procédé suivant l'invention consiste en ce que, jusqu'à maintenant, les solutions dont on disposait pour fournir un courant de recuit à la pièce à recuire étaient les suivantes .1. Contacts mécaniques. 1.1. Contacts fixes 1.1.1. Le courant est acheminé au moyen d'un conducteur solide et métallique et l'extrémité du fil, formant contact d'alimentation, est soudée, rivetée,vissée , et/ou pressée par la force d'un ressort sur la pièce qui doit être recuite. 1.2. Contacts mobiles. 1.2.1.Le contact pressé par la force d'un ressort sur la pièce à chauffer, glisse ou coulisse sur la pièce pendant l'opération ou bien la pièce glisse sur le contact. Au même moment un frottement se produit et le courant est transmis pendant le déplacement de glissement et avec frottement. 1.2.2. Même solution que 1.2.1., mais le contact roule sur la pièce. 2. Contact électrolytique 2.1. Contact électrolytique humide 2.2. Contact électrolytique par sel fondu 7. Contact par métal fondu 4. Contact capacitif et inductif avec liaison à une source haute-fréquence. Ces méthodes connues de transmission de chaleur et de conduction de ladite chaleur vers ladite pièce à chauffer peuvent être cependant appliquées dans de nombreux cas seulement avec difficulté et dans d'autres cas ne peuvent pas êtn appliquées du tout. Ainsi par exemple, avec les contacts mécaniques énoncés en 1.1. et 1.2., des difficultés surgissent la plupart du temps à cause des surfaces de la pièce qui sont recouvertes d'oxyde, sont en un métal peu propre, sont recouvertes de calamine sont éventuellement contaminées, articulées, grossières, ou bien non usinées ou finies, ou bien à cause du déplacement rapide de la pièce touchant le contact. Le contact mobile mentionné en 1.2., par exemple, s'est montré utile seulement dans le processus de chauffage en continu des fils de cuivre, mais ne convient pas pour le fer, l'acier et l'aluminium. Dans le recuit en continu, les fils de cuivre défilent à l'extrémité du banc d'étirage avant d'être bobinés à une vitesse élevée allant de 10 à 100 m/s, tout en étant pressés par deux galets de contact disposés à une distance d'environ 1 m l'un de l'autre. Les deux bornes de l'alimentation sont reliées aux deux galets de contact et la portion du fil de cuivre passant entre les deux galets est recuite par la chaleur produite par effet Joule du courant qui s'y écoule.Cette solution est convenable pour le cuivre, probablement parce que la plasticité du cuivre et les propriétés avantageuses de ses oxydes, par exemple, sa bonne conductivité réalisent des conditions hautement favorables de transmission du courant. En même temps, la bonne conductivité thermique et électrique-aussi bien que la faible température de ramollissement ou de fusion pâteuse du cuivre, rendent possible la conductance du courant fournissant la chaleur par effet Joule requise pour le chauffage. Un autre avantage est que la portion de fil de cuivre entre les deux galets peut facilement être protégée contre une oxydation ultérieure au moyen de vapeur d'eau. Par conséquent, le fil de cuivre qui chauffe arrivant au deuxième contact est dépourvu de calamine et d'oxyde formés pendant le chauffage. La surface du fil de fer, d'acier ou d'aluminium est recouverte d'une couche d'oxyde mince et à l'origine mauvaise conductrice qui peut être protégée seulement par des mesures extraordinaires contre l'oxydation ultérieure pendant l'opération de chauffage. Cependant, le courant peut être acheminé très difficilement au moyen de contacts mobiles et mécaniques au fil oxydé de fer, d'acier ou d'aluminium qui défile rapidement. Le chauffage par cette méthode d'un fil de fer ou d'acier est plus difficile par le fait qu'il nTest pas aussi plastique ou déformable que le cuivre et que par conséquent sa surface ne s'applique pas bien sur le contact. En même temps, sa conductivité est inférieure. En outre, son point de ramollissement est considérablement plus élevé, ce qui exige la fourniture de davantage de courant. Le résultat de la température plus élevée s'accompagne d'une oxydation considérable du fil de fer qui chauffe et par conséquent de l'interruption de la transmission du courant au deuxième contact. La protection contre l'oxydation du fer ou de l'acier chauffant à une température élevée est plus compliquée que celle du cuivre. Le chauffage continu du fil d'aluminium est probablement empêché par la couche d'oxyde qui constitue un mauvais conducteur et recouvre sa surface qui ne s' applique pas bien sur le galet de contact. Etant donné les raisons ci-dessus énoncées, ce procédé convient seulement pour le cuivre et aujourd'hui il n'y a pas de méthode appropriée par contact mécanique déplaçable pour le chauffage continu de fil de fer, d'acier ou d'aluminium et qui défile très rapidement et pour les mêmes raisons, il est impossible de recuire d'une manière continue par chaleur Joule les tiges et les tubes d'aluminium ou de fer qui sont obtenus par étirage à grande vitesse et qui présentent des surfaces grossières ou articulées, et éventuellement recouvertes d'oxyde ou de calamine. Par ailleurs, le procédé par galet de contact utilisé aujourd'hui ne convient pas même pour les fils de cuivre sans restriction. Même les fils les plus fins ou les plus minces doivent être pressés ou appliqués sur le contact par galet de roulement afin de réaliser la transmission de courant adéquate.Le fil s'allonge ou se casse plus il est fin étant donné les contraintes de traction accompagnant le phénomène. Une autre restriction provient de la vitesse de défilement du fil. Jusqu'à maintenant, les fils de cuivre défilant à une vitesse de 20 à 50 m/s maximum ont été recuits par ce procédé, mais en tenant compte du développement auquel il faut s attendre, une vitesse de 70 à 100 m/s sera réalisée dans un proche futur. Avec cette vitesse le fil saute ce qui rend très difficile la transmission du courant et par conséquent le fil doit être pressé de plus en plus sur le galet. C'est pourquoi ce procédé par galet provoque facilement des ruptures et le galet s'étend de manière iné w sur le fil. Les électrolytes mentionnés en 2 ne sont pas appropriés pour la transmission de courants relativement élevés comme 2 conducteurs secondaires. Un maximum de 10 à 15 A/cm2 peut s'écouler dans ces électrolytes sans élévation excessive de la chaleur. Etant donné la faible densité de courant que l'on peut obtenir, le contact par électrolyte doit toucher la pièce à recuire sur une très grande surface, ce grâce à quoi l'opération devient très difficile. Dans le cas des petites pièces ou embauches, la transmissinn du cotant est impossible et dans le cas des longues ou grandes pièces de petite section transversale telles que les fils, les tiges ou les tubes, un système de contact très long est requis, spécialement lorsque ces pièces défilent rapidement au travers de l'électrolyte pour le chauffage continu. Des difficultés supplémentaires sont obtenues lorsqu'on utilise des contacts par électrolyte par le fait qu'ils sont liquides. Les pièces à chauffer sont le plus souvent des pièces rectilignes avec deux extrémités ou deux points qui doivent toucher les contacts. Généralement, mais plus spécialement dans le cas des pièces longues rectilignes et se déplaçant rapidement dans le contact électrolytique, l'électrolyte s'écoule ou déborde du récipient. Si on essaie d'empêcher cela par un joint d'étanchéité, le fil, la tige, le tube ou analogue qui défilent rapidement déchargent ou libèrent comme une pompe l'électrolyte même au travers du meilleur joint d'étanchéité. Des difficultés supplémentaires sont obtenues pour l'enlèvement du sel solidifié, de l'électrolyte, de la pièce. Les traces restantes provoquent une réelle corrosion et d'autres difficultés provenant de la propreté inadéquate de la surface. En même temps, le traitement et la conservation du sel fondu à l'état chaud provoquentdestrotis considérables. Les contacts par métal fondu les plus importants sont le mercure, le plomb ou le gallium quelquefois, mais cependant, d'autres métaux et alliages fondant facilement peuvent aussi être utilisés. La conductibilité électrique est excellente ; on doit pourtant faire extrêmement attention à l'intèraction entre la masse métallique fondue et le matériau de la pièce à chauffer, ce qui risque de conduire à la formation d'un composé d'un.alliage ou d'une solution. S'il n'existe pas de risque de ce type, les difficultés déjà mentionnées au sujet de la nature liquide des contacts électrolytiques seront prises en considération. En outre, le maintien constant de l'état liquide est aussi difficile dans ce cas. Aucune référence séparée doit être faite au risque d'empoisonnement de l'opération réalisée avec du mercure et du plomb fondu. Le gallium d'un autre côté est très coûteux. L'efficacité de transmission du courant des contacts inductifs et capacitifs selon le point 4 mentionné ci-avant, est relativement faible et se détériore avec la diminution des dimensions, de sorte qu'on ne l'utilise pas pour le chauffage continu des fils et des tubes minces. Même avec des matériaux de section transversale plus grande, leur utilisation pose des questions du point de vue économique, parce que dans ce cas le processus de chauffage est considérablement ralenti étant donné l'effet de peau, ce qui fait que leur utilisation d'une manière générale n'est pas largement répandue. Le but du procédé selon la présente invention est de rendre possible la transmission du courant par le contact d'un plasma gazeux dansles cas où les contacts mécaniques ne peuvent pas être utilisés étant donné les difficultés de transmission du courant, les contacts électrolytiques et les contacts par métal fonduRétant donné la construction et les autres difficultés, et les contacts inductifs et capacitifs étantdonné les problèmes économiques. Le plasma produit d'une manière connue quelconque, par exemple par arc électrique, par champ haute-fréquence ou par n'importe quelle autre méthode connue en elle-même, est bon conducteur du courant électrique, et ce fait est utilisé dans le procédé de la présente invention pour établir le contact entre les bornes d'une source d'alimentation et la pièce à recuire même dans les cas où les méthodes par contact connues jusqu'à maintenant sont trop fastidieuses ou ne peuvent pas être appliquées du tout. Grâce au plasma gazeux, le courant peut être fourni sans contact solide du tout, pratiquement sans frottement, à des pièces ou ébauches de pièces défilant ou étirées à grande vitesse, minces, articulées, grossières, non usinées, recouvertes d'oxyde, ayant une surface contaminée de forme ou de surface compliquée, et/ou de petite section transversale . Le faisceau de plasma entoure pratiquement la pièce et réalise des conditions bien meilleures pour la transmission du courant que les autres contacts. Il transmet le courant dans les parties dépourvues de barbures ou analogues de la pièce, dans les ures et les cavités de la couche d'oxyde, et en outre dans la couche mince d'oxyde, et même dans la pièce, le tube, la tige ou le fil défilant à une vitesse maximum.Il suit exactement les irrégularités de la surface, et le matériau communiquant avec lui ne doit pas prendre la forme du contact. Par conséquent, il convient de manière excellente pour la transmission du courant aux fils, tiges, tubes ou analogues qui défilent rapidement. Selon l'une des méthodes d'exécution du procédé selon l'invention, chacune des deux bornes de la source électrique de chauffage est reliée par exemple, grâce à un plasma gazeux à une courte longueur du fil, de la tige ou du tube à chauffer, de sorte que ce ou cette dernière défile de manière continue dans la direction de son axe longit dnal, en communiquant avec les contacts formés par le plasma. Entre les points identiques, par exemple, les centres des contacts que formant le plasma, une différence de potentiel correspondant à la tension d'alimentation existe.Etant donné cette différence de potentiel, un écoulement de charges commence entre la pièce et le plasma, en assurant la présence d'un courant et d'une chaleur par effet Joule respectivement, requis pour le chauffage dans la courtetonguear défilant juste entre les contacts formés par le plasma. Cette solution par contact élimine les difficultés provenant de l'utilisation de contacts mécaniques, électrolytiques, par métal fondu, inductifs et capacitifs. L'une des possibilités les plus simples d'obtention d'un plasma est la production d'un plasma d'arc électrique brûlant dans le gaz. Par conséquent, l'une des méthodes d'exécution du procédé selon l'invention consiste en ce que le procédé ci-dessus de transmission de courant de chauffage est réalisé au moyen d'un plasma par arc électrique brûlant dans un gaz à pression normale. Quand on transmet le courant au moyen d'uncontact de plasma par arc électrique, on peut observer une zone à température plus élevée et plus brillante débutant environ au centre du plasma d'arc, et se terminant comme un pic sur la surface de la pièce à laquelle est appliqué le courant grace au plasma. Dans de tels cas, des traces de pénétration peuvent être trouvées sur la surface de la pièce. Ce phénomène néfaste peut être éliminé par l'une des méthodes d'exécution du procédé selon l'invention, grâce à laquelle de la vapeur d'un métal alcalin est fournie au voisinage des électrodes de l'arc. Dans de tels cas, la température du plasma décroît, étant ainsi presque uniforme dans chaque partie du plasma. Ce plasma peut être appelé plasma d'arc électrique brûlant dans un gaz ou une vapeur métallx ue. Une autre méthode pratique pour empêcher la pièce d'être en contact avec le plasma de température élevée et d'être fondue ou brûlée, consiste en ce que la pièce, touchant les points de contact formés par le plasma, se déplace rapidement comparativement à eux, ou bien les contacts se déplacent comparativement à la pièce. Ceci est l'une des méthodes d'exécution du procédé selon la présente invention rendant simultanément possible le recuit en continu dans la longueur totale de longues pièces, telles que des fils, des rubans ou des tubes se déplaçant à vitesse constante, au moyen de la chaleur Joule du courant acheminé par les contacts formés par le plasma. Plusieurs méthodes sont possibles pour la transmission du courant par le plasma. Selon l'une de ces méthodes, qui constitue un exemple de réalisation du procédé suivant la présente invention, le courant pour le recuit passe dans la pièce par deux plasmas d'arc électrique qu sont électriquement indépendants l'un de l'autre, et snnt alimentés à partir d'alimentations séparées. La différence de potentiel requise pour le courant de recuit est produite en reliant les deux bornes de la source d'alimentation à l'électrode de chacun des deux arcs. Selon une variante de la méthode avee deux nlasmas à arc, les bornes de la source de recuit sont reliées à des électrodes séparées indépendantes des électrodes d'arc mais en contact avec les plasmas. Grâce à cette méthode, tandis que la pièce, c'est-à-dire le fil, le ruban, le tube ou analogue à recuire passe dans les plasmas brûlant entre les électrodes à arc, des électrodes séparées independantes des électrodes à arc, refroidies avec de l'eau et reliées aux bornes de la source de recuit pénètrent dans les plasmas. le courant pour le recuit s'écoule dans ces électrodes séparées dans le plasma et à l'intérieur de la pièce à recuire. Dans un but de sécurité, il est recommandable d'empêcher aux différences de potentiel de se produire sur les parties au-delà de la partie recuite de la pièce, par exemple le fil le ruban ou le tube. Cette nécessité ne peut pas être réée par transmission du courant au moyen de deux contacts, dans le cas présente deux contacts par plasma. Une solution connue en elle-même consiste à utiliser trois contacts classiques de sorte qu'une borne ou un pôle de la source de recuit est relié à un contact chacun étant disposé au début et au bout de la partie recuite de la pièce, tandis que l'autre pôle est relié au contact disposé à peu près au centre de la partie recuite.Une méthode d'exécution du procédé selon l'invention consiste en ce que les pôles ou bornes de la source de chauffage sont reliés suivant le principe décrit ci-dessus connu en lui-même, mais à trois contacts de plasma. Il est connu qu a l'intérieur du plasma brûlant dans le gaz le champ électrique n'est pas homogène, ce qui entraine la production locale de différences de potentiel à l'intérieur d'un plasma unique. Par conséquent, dans la partie de la pièce métallique disposée dans le plasma, du courant s'écoule entre les points de potentiel différents du plasma. Le circuit est fermé à l'extérieur de la pièce métallique dans le plasma. Ce phénomène est utilisé dans l'une des méthodes d'exécution du procédé selon la présente invention pour autant que seulement un plasma d'arc soit en contact avec la pièce à recuire et la différence de potentiel requise pour la production du courant pour le recuitsoit produite par deux parties non équipotentielles ou points non équipotentiels du plasma unique entre les deux points de la partie à recuire de la pièce.Ainsi, la source maintenant l'arc est simultanément la source pour le recuit. Dans le recuit continu d'une partie de fil défilant d'une manière continue, d'une bande ou d'un tube, il peut être opportun d'utiliser des contacts mécaniques ou d'autres contacts classiques plus simples que le plasma lui-même. Ceci est pourtant empêché en raison du fait que la partie recuite de la pièce s' oxyde. De ce fait la transmission du courant avant la partie recuite au moyen d'un contact mécanique ou d'un autre contact classique n'est pas complètement empêchée, mais elle est entravée au point de contact derrière la partie chauffée. Ce problème est résolu par une méthode d'exécution du procédé selon l'invention, grâce à laquelle le courant de chauffage est fourni à la pièce à chauffer au moyen d'un contact classique, mécanique ou par galets avant la partie recuite et au moyen d'un plasma gazeux formant aussi contact derrière la partie recuite. Dans le cas du chauffage continu d'un fil, d'un ruban, d'un tube ou d'une tige défilant rapidement, lorsqu une partie change continuellement et que chacun de ces matériaux défile entre deux ou trois contacts transmettant le courant à la pièce, le matériau chaud sortant du système de chauffage (d'entre les contacts,) sera refroidi. Une méthode classique est le refroidissement par eau. Selon un exemple de réalisatinn du procédé de l'invention, le premier ou bien le premier et le second des cnntacts du système de chauffage est un c ontact par plasma gazeux, tandis que le troisième, qui est le dernier, est un contact par électrolyte humide servant simultanément pour le refroidissement du matériau chaud. L'exemple suivant illustrera le procédé suivant l'invention Un fil de fer de 0,5 à 1 mm de section transversale sortant d'une machine d'étirage à une vitesse de 10 m/s sera recuit de manière continue. Dans ce but, du courant continu est fourni par une partie courte défilant en continu ayant environ 0,7 m de longueur afin de chauffer à la température requise pour le recuit au moyen de la chaleur Joule. Un contact convenable est cependant requis pour l'alimentation en courant. Ce contact est fourni par un plasma à arc brûlant dans de l'argon à la pression normale. Le fil qui défile rapidement passe entre les deux plasmas montrés en 1 et 2 sur la figure et disposés à une distance de 0,7 m l'un de l'autre.Le plasma comme milieu conducteur assure le contact électrique entre les bornes de la source d'alimentation en courant pour le recuit et les deux extrémités de la partie de fil ayant 0,7 m de longueur. Pour le maintien des deux plasmas à arc, deux générateurs indépendants de courant continu d'une puissance de 1 kw et d'une tension de 30 volts chacun sont prévus. Ces deux générateurs sont montrés respectivement en 3 et 4 sur la figure unique annexée. Le courant est fourni par un générateur de courant continu 5 d'une tension de 170 volts et d'une puissance de 15 kw, les deux bornes de ce générateur étant reliées aux cathodes des deux plasmas de sorte que la borne négative de la source soit reliée au plasma auquel le fil arrive à l'état froid. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. BEVENDICATIONS 1. - Procédé pour la transmission d'un courant de chauffage à des objets, des pièces, des semsproduits ou analogues métalliques et solides pour des traitements technologiques tels que la passivation ou le durcissement avec du métal fondu, le soudage, le soudage par rapprochement, le traitement thermique, tel que la suppression des contraintes, l'homogénéi- sation, le durcissement, le revenu, le recuit, le durcissement par précipitation, dans lequel pour le chauffage des objets, des pièces ou des semi-produits métalliques à une température plus faible que leur point de fusion, l'effet Joule du courant s'écoulant au travers desdits objets, pièces ou analogues est utilisé, caractérisé en ce que pour fournir du courant à l'objet, la pièce ou le semi-produit métallique solide, un plasma gazeux comme milieu bon conducteur de l'électricité est utilisé comme contact. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le plasma utilisé comme contact et un plasma à arc électrique brûlant dans un gaz à pression normale. 3. - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une vapeur de métal alcalin est fournie au voisinage des électrodes afin de réduire la température du plasma. 4. - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le contact par plasma Kzeux et les semi-produits ou produits finis à chauffer se déplacent à des vitesses différentes comparativement l'une à l'autre pendant la transmission du courant. 5. - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence de potentiel requise pour la production du courant de chauffage à transmettre au moyen du plasma brûlant dans un gaz ou de la vapeur métallique, est produite entre les deux contacts formés par le plasma alimentés à partir de source d'alimentation séparées disposées séparément l'une de l'autre et également indépendantes électriquement l'une de l'autre de telle manière que les deux bornes de la source d'alimentation pour le recuit sont reliées à chaque électrode des deux arcs ou à des électrodes séparées indépendantes des électrodes d'arc mais étant en contact avec les plasmas. 6. - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que trois contacts à plasma d'arc indépendants l'un de l'autre sont utilisés pour la transmission du courant de recuit et les bornes de la source de chauffage sont reliées aux trois contacts de telle manière qu'une borne ou un pôle de la source pour le recuit est reliée à un plasma d'arc chacun étant arrangé au début et à la fin de la partie chauffée de la pièce, tandis que l'autre pôle est relié au plasma du milieu afin d'empêcher la production d'une différence de potentiel sur les parties au-delà de la partie recuite de la pièce. 7. - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant de recuit est produit dans la pièce à recuire de sorte que seulement un plasma est en contact avec elle et la différence de potentiel requise pour la production du courant de recuit entre deux points de la partie à recuire de la pièce est réalisée par deux parties nonéquipotentielles ou points non-équipotentiels du plasma unique, la source de puissance maintenant l'arc étant simultanément la source pour le recuit. 8. - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant de recuit est transmis par une partie de la pièce à recuire de sorte qu'à un point de ladite partie un contact par plasma gazeux est utilisé tandis qu'à l'autre point on utilise pour l'alimentation en courant un contact classique. 9. - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant de chauffage est transmis dans une partie de la pièce à chauffer d'une manière telle qu'à un point de ladite partie un contact par plasma gazeux est utilisé, et à l'autre point un électrolyte humide servant simultanément pour le refroidissement est utilisé pour l'alimentation en courant.