Brevet FR2315541A1 — publié le 19770121

La présente invention concerne un four pour traitements thermiques ou thermochimiques sous vide et sous atmosphères, de métaux tels que, par exemple, les aciers d'usage général, les aciers fins au carbone et les aciers alliés. Elle a plus particulièrement un four qui puisse avantageusement mais non nécessairement réaliser la totalité d'un cycle de traitements thermiques pouvant comprendre une trempe, et un ou plusieurs revenug ou éventuellement un recuit. D'une manière générale, on sait que la trempe d'un acier s'obtient d'une part en chauffant l'acier à une température supérieure de 500 à 1000C au point de transformation du métal (environ I 150La) et en maintenant cette température pour réaliser l'équilibre de la structure austénitique,et, d'autre part, en refroidissant la pièce à vitesse suffisante pour obtenir des constituants métallographiques durs (majorité de martensite), cette vitesse étant fonction de la composition chimique de l'acier. le revenu s'obtient quant à lui en chauffant le métal fragilisé par la trempe, à une température inférieure au point de transformation en austénite (environ 7200C), à maintenir cette température pendant un temps prédéterminé, et à refroidir plus ou moins rapidement selon la nature de la pièce trempée. Un cycle complet de traitement thermique peut comprendre, de façon classique, une trempe suivie d'un ou plusieurs traitements de revenu. En conséquence, dans un tel cycle de traitement on utilise, en général, deux types différents de four, à savoir un four servant à la trempe de l'acier qui vermet d'atteindre, sous vide, des températures excédant 12000C,et des fours de revenusdont la température maximale possible ne dépasse pas 7500cet dont la température d'utilisation peut être réglée pour des niveaux de température, de préférence compris entre 3500C et 7000C. La raison essentielle pour laquelle on utilise deux fours,alors qu'à priori il semblerait plus logique de n'utiliser que le four de trempe, est due au fait que le four de trempe manque totalement de souplesse dans la gamme de traitement correspondant au revenu et ce, principalement du fait qu'il travaille sous vide et qu'il utilise un système de chauffage par rayonnement composé de puissantes résistances chauffantes dont le rendement optimal, pour un chauffage par rayonnement, se situe au-delh de 7000C, Au contraire, les fours de revenu qui effectuent un chauffage de l'acier par l'intermédiaire d'un véhicule caloporteur tel qu'un gaz inerte peuvent être facilement régulés pour des plages de température inférieures à 7500C. L'invention a donc pour but un four qui puisseentre autres, se prêter aussi bien pour la trempe que pour le revenu, tout en permettant une régulation efficace des différents niveaux de température aussi bien en dessus de 7500C qu'en dessous. il est bien entendu qu'un tel four peut avantageusement être utilisé à différents traitements thermiques ou thermochimiques autres que la trempe classique et le revenu. il s'utilise avantageusement pour tous les traitements qui comprennent plusieurs niveaux de température entre OOC et 13000C aussi bien dans la phase de chauffage que dans la phase de refroidissement. Dans ce dernier cas, il convient particulièrement bien à la trempe étagée martensitique, à la trempe étagée mixte, à la trempe étagée bainitique ou même au recuit isotherme. En conséquence, le four pour traitements thermiques ou thermochimiques de métaux, selon l'invention, comprend essentiellement deux systèmes séparés de chauffage, à savoir, un premier système de chauffage utilisant un véhicule caloporteur, par exemple un gaz neutre,pour le chauffage dans la première gamme de température (environ de 0 à 7500C), et un deuxième système de chauffage par rayonnement sous vide pour les températures élevées. Selon une caractéristique de l'invention, le four se compose d'une cuve à l'intérieur de laquelle on peut créer un vide relatif, et quiremferme un moufle en matériau thermo-isolant, qui contient à son tour un caisson réfractaire présentant au moins deux ouvertu rets. Dans un tel four, le susdit premier système de chauffage est disposé à l'intérieur du moufle et à l'extérieur du susdit caisson, et peut comprendre, de façon classique, un réseau de résistances qui chauffe un fluide caloporteur véhiculé à travers le caisson,par les susdites ouvertures, au moyen d'une turbine. Le susdit deuxième système de chauffage se compose d'un réseau de résistances disposé contre les parois intérieures du caisson. Selon une autre caractéristique de l'invention, les susdites ouvertures du caisson peuvent être obturées pendant le fonctionnement dudit deuxième système de chauffage. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le four comprend,à la place du susdit premier système de chauffage, un système mixte de chauffage et de refroidissement comprenant au moins une résistance chauffante tubulaire de préférence en serpentin,et raccordée à l'extérieur du four, d'une part, à un circuit d'alimentation en énergie électrique, et, d'autre part, à au moins une source de fluide de refroidissement tel que l'air comprimé ou l'eau. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un four de traitement thermique ou thermochimique qui comprend, en tant que premier système de chauffage, un système mixte de chauffage et de refroidissement. La figure 2 est un diagramme de la température en fonction du temps d'un cycle de traitement thermique sous vide et sous atmosphère. Avec référence à la figure 1, le four pour traitements thermiques ou thermochimiques comprend essentiellement une cuve extérieure 1 en acier, de forme cylindrique portée par une structure support 2. Cette cuve est fermée d'un côté par un fond bombée 3, et, de l'autre côté, par une porte 4 de forme bombée, qui est articulée à la cuve 1. A l'intérieur de la cuve i est disposé un moufle 5 thermo-isolant cylindrique ou parallélépipédique, qui comprend une ouverture située du côté de la porte 4, obturable par une deuxième porte 6 en même matériau thermo-isolant. A l'intérieur du moufle 5 est disposé un caisson réfractaire, par exemple en molybdène, dont la porte 8 peut être rendue solidaire de la porte 6 du moufle 5. Comme précédemment mentionné, ce four comprend un système mixte de chauffage et de refroidissement 9 logé entre la paroi arrière du caisson 7 et le fond tl du moufle. Ce système se compose d'une résistance électrique tubulaire, par exemple en inconel, disposée en serpentin. Les deux extrémités t2, 13, de ce serpentin passent au travers de la cuve pour être raccordées à l'extérieur du four, d'une part, à un circuit de fluide réfrigérant, et, d'autre part, à un circuit d'alimentation en énergie électrique (transformateur 14). A ce système mixte de chauffage et de refroidissement 9, est associé un dispositif de circulation de fluide caloporteur constitué par une turbine 15 disposée au-dessus du serpentin et entraînée par un moteur 16. Le fluide caloporteur véhiculé par la turbine 15 peut circuler à l'intérieur du caisson 7, par l'intermédiaire d'ouvertures 17 ménagées sur la face supérieure et sur la face inférieure du caisson 7. Le second système de chauffage du four est constitué par un réseau de résistance 18 disposé contre les parois internes du caisson 7. Ce réseau de résistances 18 peut etre avantageusement relié au transformateur 14 utilisé pour le système mixte de chauffage et de refroidissement 9. L'invention évite donc l'utilisation de deux transformateurs séparés pour les deux modes d'utilisation du four. La figure 2,qui représente le diagramme température en fonction du temps,d'un cycle classique de traitement thermique de l'acier, permet de mieux mettre en évidence les avantages que procure l'invention et différents modes d'utilisation possibles du four. Ce cycle de traitement thermique comprend tout d'abord une trempe avec chauffage en palier et au moins deux traitement de revenu. Ce diagramme peut se subdiviser en trois zones successives, à savoir - Une zone I correspondant à un chauffage progressif 19 et au maintien d'un palier de température 20 inférieur à 7500C au début de la phase de chauffage de l'opération de trempe, - Une zone II correspondant au chauffage progressif et au maintien de deux paliers de température successifs 2), 24, dont le dernier 24, est supérieur au point de transformation de l'acier (par exemple 1200OC), cette zone correspondant à la fin de la phase de chauffage de l'opération de trempe, et, enfin, - Une zone III correspondant au refroidissement 25 ou à la trempe proprement dite, et aux traitements de revenus suecessifs 26, 27, et éventuellement 28. Dans la première zone I, on utilise le premier système de chauffage (système mixte) et on travaille sous atmosphère, le chauffage de l'acier s'effectuant par le courant de gaz (par exemple d'azote) réchauffé par la résistance tubulaire en serpentin et entrainé par la turbine 15. L'utilisation de ce premier système de chauffage permet donc, à l'inverse du second, une très grande souplesse aux basses températures (jusqu'à 750 OC) et une bonne régulation du chauffage selon le modèle désiré.Il permet en particulier le chauffage progressif à basse température (portion 19 de la courbe) et un maintien de la température,pour le premier palier 20aux environs de 750 C. Ce chauffage progressif permet d'éviter des gradients importants de température entre le coeur et les couches superficielles de l'acier qui pourraient occasionner des tapures ou des déformations. Dans la deuxième zone II, on réalise un vide relatif à l'intérieur du four et l'on utilise le second système de chauffage. Les ouvertures 17 du caisson 15 peuvent alors être fermées. On travaille alors dans des gammes supérieures à 7500C qui se situent dans la zone de souplesse maximale du second système de chauffage, ce qui permet, à partir du premier palier 20, de réchauffer progressivement la pièce (portion 21), de la maintenir à un deuxième palier de température 23 pendant un temps prédéterminé, de la réchauffer encore progressivement (portion 22) pour la maintenir enfin pendant un temps prédéterminé à la température maximale (palier 24) de l'ordre de 12000C. Dans la troisième zone III, on injecte initialement dans le four un gaz neutre, par exemple l'azote, les traitements effectués dans cette zone étant réalisés sous atmosphère, et on dégage les ouvertures 17 du caisson 15. Le processus de refroidissement de la trempe peut être exécuté encrtilisant le système mixte de chauffage et de refroidissement 9. On notera que ce refroidissement peut être régulé efficacement en modifiant le débit du fluide circulant dans la résistance tubulaire en serpentin, et, éventuellement, la vitesse de rotation de la turbine 16 de circulation du gaz neutre. On notera que ce refroidissement peut être accéléré,au besoin par l'utilisation de dispositifs classiques qui ne seront, par conséquent, pas décrits. La trempe étant terminée, on exécute alors successivement plusieurs traitements de revenu 26, 27, éventuellement 28, qui consistent chacun à réchauffer progressivement la pièce d'acier (portion 29) jusqu'à une température inférieure à 7500C, à maintenir la pièce à cette température pendant un temps prédéterminé, (palier 34, puis à la refroidir progressivement (portion 31). Bien entendu, le nombre des traitements de revenu n'est pas limité. D'autre part, on peut ne prévoir qu'un seul traitement de revenu. On notera que le refroidissement lors du processus de trempe peut s'effectuer en palier. Dans le cas où ces paliers de température sont inférieurs à 7500C, pour maintenir constante la température pendant ce palier, il est possible d'assureur un chauffage de maintien par l'intermédiaire du système mixte de chauffage et de refroidissement. REVE NI? I CÂ T IONS lo Four pour traitements thermiques ou thermochimiques de métaux, tels que, par exemple, les aciers d'usage général, les aciers fins au carbone et les aciers alliés, caractérisé en ce qu'il compreidessentiellement deux systèmes séparés de chauffage pouvant être alimentés par une même source d'énergie commune, à savoir, un premier système de chauffage1 sous atmosphères,utilisant un véhicule caloporteur, par exemple un gaz inerte, pour le chauffage dans une première gamme de température, inférieure à 7500C environ, et un deuxième système de chauffage sous vide, par rayonnement, pour les températures élevées, au-delà de 750 C. 2.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit premier système de chauffage est un système mixte de chauffage et de refroidissement comprenant au moins une résistance chauffante tubulaire, de préférence en serpentin, et raccordée à l'extérieur du four, d'une part, à un circuit d'alimentation en énergie électrique, et, d'autre part, à au moins une source de fluide de refroidissement tel que l'air comprimé ou l'eau. 3.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se compose d'une cuve à l'intérieur de laquelle on peut créer un vide relatif et on peut injecter un gaz neutre tel que l'azote, et qui renferme un moufle en matériau thermo-isolant qui contient à son tour un caisson réiractaire présentant au moins deux ouvertures, en ce que le susdit premier système de chauffage est disposé à l'intérieur du moufle et à l'extérieur du susdit caisson, et peut comprendre, de façon classique, un réseau de résistances qui chauffe un fluide caloporteur, ce fluide caloporteur étant véhiculé à travers le caisson, par les susdites ouvertures, au moyen d'une turbine, et en ce que le susdit deuxième système de chauffage se compose d'un réseau de résistances disposé contre les parois intérieures du caisson. 4.- Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que les susdites ouvertures du caisson peuvent être obturées pendant le fonctionnement du deuxième système de chauffage. 5.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le second système de chauffage sont alimentés en énergie électrique par un seul et même transformateur.