Brevet FR2311095A1 — publié le 19761210

La présente invention concerne un four pour le traitement thermique, sous vide et sous atmosphères,de métaux tels que des aciers alliés utilisés en mécanique de précision, notamment pour la fabrication de moules, de matrices ou de poinçons. On rappelle à ce sujet qu'il existe trois types principaux de traitements thermiques (à distinguer avec les traitements thermochimiques tels que la cémentation, la nitruration ou la carbonitruration qui sont des traitements superficiels), à savoir la trempe, le revenu et le- recuit. Dans le cas de l'acier, la trempe consiste tout d'abord, à chauffer la pièce à une température supérieure de 50 à 100 G au point de transformation du métal et à maintenir suffisamment cette température pour réaliser l'équilibre de la structure austénitique, puis ensuite à refroidir la pièce à vitesse suffisante pour obtenir des constituants métallographiques durs (majori- té de martensites). On obtient ainsi un acier constitué par un réseau de ferd dans lequel sont bloqués des atomes de carbone, et qui présente une grande dureté. Malheureusement cette dureté s'accompagne d'une grande fragilité et de l'existence de tensions internes. Le revenu permet de supprimer ces inconvénients. I1 consiste à re'chauffer la pièce préalablement trempée Jusqu'à 600 à à 7000C et à refroidir plus ou moins rapidement suivant la nu an- ce et la forme de la pièce. Ainsi, à partir de 3000C la structure engendrée par la trempe est transformée, le carbone se libérant et se déposant aux joints des grains de fer, sous forme de carbures très fins (cémentite Fe3C), et se compose alors d'un réseau de fer agrégé avec de la cémentite très fine, en une structure appelée sorbite. L'acier conserve donc une dureté appréciable, mais avec une fragilité très atténuée. Le recuit, qui a pour but d'adoucir le métal en faisant disparaitre les durcissements ou certaines hétérogénéités d'élaboration de celui-ci, consiste également à réchauffer la pièce à une température choisie, à la maintenir à cette température pendant un temps déterminé et à la refroidir de façon appropriée. A titre indicatif on mentionnera, comme type de recuit, le recuit d'homogénisation , le recuit proprement dit, le recuit de normalisation, le recuit de coalescence, le recuit de recristallisation ou de restauration et enfin le recuit de détente. L'invention s'applique de préférence mais non exclusivement aux traitements de revenu et de recuit précédemment mentionnés. Elle pourrait en effet s'appliquer à toutes sortes de traitements thermiques ou thermochimiques, et en particulier, à tous les traitements qui ne nécessitent pas d'élever la température à plus de 7500C. Pour effectuer ces divers traitements il existe de nombreux tvpes de fours parmi lesquels on mentionnera en exemple, les fours à sole, ou à cloche. Toutefois en raison des importantes dissipations parasites d'énergie (briques réfractaires) qui s'ajoutent à l'énergie calorifique nécessaire pour chauffer les pièces, ces fours sont de gros consommateurs d'énergie. De plus il est très difficile de les arrenter. Les traitements thermiques par bains de sel qui permettent une plus grande souplesse d'utilisation sont, quant à eux, en général très polluants, en raison des vapeurs nocives qu'ils dégagent (cyanures). Pour supprimer ces inconvénients, on a réalisé des fours dits à parois froides réalisant les traitements thermiques sous vide, ou sous atmosphères qui nécessitent des quantités d'énergie beaucoup moins importantes, en évitant au maximum les dissipations calorifiques parasites Ces fours comprennent en général une cuve en acier, de forme arrondie pour supporter de fortes dépressions. Dans certains cas cette cuve comporte une double paroi à l'intérieur de laquelle circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau. A l'intérieur de la cuve est disposé un moufle, c'est-àdire un caisson intérieur en matériau isolant qui assure une isolation thermique efficace entre le volume intérieur du moufle et son environnement extérieur. A titre d'exemple, la paroi intérieure du moufle peut-être réalisée en molybdène et le revê- tement isolant, en laine d'allumine. Le chauffage du volume situé à l'intérieur du moufle s'effectue à l'aide de résistances chauffantes consistant le plus souvent en des barreaux de graphite ou de molybdène uniformément réDartis pour permettre d'obtenir un chauffage uniforme des pièces. I1 est également possible, dans le cas ou une distribution uniforme des résistances chauffantes est exclue, de disposer des déflecteurs. La cuve est raccordée à une pompe à vide pour permettre de réaliser un vide de l'ordre de 10'1 à 10-6 torr. Bien entendu le four comprend une porte étanche donnant accès à l'intérieur du moufle pour permettre l'introduction des pièces. Ainsi, pour effectuer un traitement thermique, on introduit les pièces dans le moufle, on referme la porte étanche puis on réalise le vide à l'intérieur du moufle au moyen de la pompe à vide. On casse le vide par injection d'un gaz inerte par exemple l'azote, puis on chauffe le four au moyen de résistances. I1 est à noter à ce sujet que le chauffage des pièces ne se fait pas par contact mais par convection. Le chauffage peut être contr8lé par un pyromètre ou autre dispositif de ce genre et la durée de chauffage peut être commandée par une minuterie, ces deux organes pouvant être couplés dans un même système de commande automatique. Une fois que la pièce a atteint la température désirée et est restée à cette température pendant un temps prédéterminé, on refroidit brutalement le four. Pour permettre un refroidissement homogène de la pièce il est nécessaire de prévoir un dispositif servant à répartir uniformément le gaz neutre dans le moufle. Ce dispositif peut consister par exemple en une turbine de circulation. Ces fours doivent enfin comprendre des parties mobiles par exemple des cloisons qui peuvent s'escamoter de manière à faire apparattre le circuit de chauffage ou le circuit de refroidisselent. Il est clair, en règle générale que dans de tels fours, le système de chauffage et le svstème de refroidissement sont deux organes séparés et distincts. L'invention a plus particulièrement pour objet un perfectionnement aux fours pour traitements thermiques sous vide, et sous atmosphères du type de celui précédemment mentionné, qui consiste à remplacer le système de refroidissement et le système de chauffage par un svstème mixte unique qui-sert à la fois, alternativement, au chauffage et au refroidissement. Ainsi l'invention permet avantageusement d'éviter l'utilisation de parties mobiles à l'intérieur du four et les problèmes de joints qui leurs sont associés, problèmes particulièrement délicats en raison, d'une part, du vide réalisé à l'intérieur du four et, d'autre part, de la tenpérature élevée de fonctionnement du four (dilatations, altérations des propriétés mécaniques des joints ...etc). A cet effet, l'invention utilise comme système de chauffage et de refroidissement, au moins une résistance chauffante tubulaire, de préférence en serpentin, disposée à l'intérieur du moufle 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 ooi- primé, l'eau... Ainsi pendant la période de chauffage du four, on connecte la résistance au circuit d'alimentation en énergie électrique, puis, tendant la phase de refroidissement, on fait circuler dans la résistance qui est alors déconnectée dudit circuit, un courant de fluide de refroidissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour permettre une meilleure homogénéité de chauffage des pièces on peut intercaler, entre celles-ci et le système de chauffage et de refroidissement, à l'intérieur du moufle, une paroi en matériau isolant de section inférieure à la section correspondante du moufle. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins snnexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale verticale d'un four à paroi froide équipé d'un système de chauffage ét de refroidissement selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale horizontale du four représenté figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale du four représenté figures 1 et 2. Avec référence aux figures 1, 2 et 3, le four de traitement thermique sous vide et sous atmoephêres comprend essentiellement une cuve extérieure 1 en acier, de forme cylindrique, portée par une structure support 2. Cette cuve 1 est fermée d'un côté par un fond bombé 3, par exemple sphérique et, de l'autre côté par une porte 4, qui présente également une forme bombée. Cette porte 4, est articulée de facon classique à la cuve 1 par l'intermédiaire d'un bras 5. A l'intérieur de la cuve 1, est disposé un moufle 6, c'est à-dire un caisson thermo-isolant, d'allure générale parallélépipèdique, comprenant une ouverture située du côté de la porte 4, obturable par une deuxième porte 7, en meme matériau thermoisolant. Cette porte est articulée sur le moufle par une charnière 8. Dans l'exemple représenté, le moufle comprend une double paroi 10-11, qui renferme un produit réfractaire 12, par exemple de la laine d'allumine. La paroi intérieure 11 du moufle peut être réalisée en molybdène ou tout autre matériau satisfaisant à la fois aux contraintes thermiques, mécaniques et chimiques. Pour faciliter son extraction lors de démontages, le moufle 6 est porté par des galets latéraux 13 qui roulent respectivement sur deux rails longitudinaux 14 solidaires de la cuve 1. A l'intérieur du moufle 6 est disposé un support de charges 15 sur lequel on peut disposer les pièces à traiter. Au-dessus de ce support est disposé un ensemble de ventilation comprenant une turbine 16 au-dessous de laquelle est disposé un déflecteur 17 en forme de volute. La turbine 16 est actionnée par un moteur 18 situé à ltex- térieur et disposé dans une cloche 19 hermétiquement assemblée à la cuve 1. Le refroidissement du moteur 18 s'obtient à l'aide d'un serpentin 21 disposé sur la surface externe de la cloche 19 et dans lequel on peut faire circuler un fluide réfrigérant, par exemple de l'eau. Selon l'invention le système mixte de chauffage et de refroidissement est constitué par une résistance électrique tubulaire 22, par exemple en inconel, disposée en serpentin à l'in intérieur du moufle 6, du côté de celui-ci, opposé à la porte. Les deux extrémités 23, 24 de ce serpentin passent au travers du moufle et ensuite, de façon étanche, 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 (ces deux circuits n'étant pas représentés). Pour permettre une meilleure homogénéité du chauffage et du refroidissement des pièces, on Drévoit, entre le serpentin 22 et le support de charge 15, une cloison transversale en matériau thermo-isolant 25 de section inférieure à celle du moufle 6 afin de permettre au gaz de se propager dans l'intervalle entre ledit moufle 6 et ladite cloison 25. On notera enfin que la cuve comprend de façon classique un orifice 26 par leauel on peut effectuer le vide et un orifice 27, par lequel on peut injecter à l'intérieur du four, un eaz neutre, par exemple de l'azote. Ainsi, pour effectuer un traitement thermique1 on ouvre les portes 4 et 7 de la cuve 1 et du moufle 6 et on dispose la pièce à traiter sur le support de charme 1 5. Cette dernière opération peut être considérablement simplifiée, dans le cas où le four fait partie d'un ensemble automatisé, en prévoyant un support de charge mobile longitudinalement et sortant à l'extérieur du four pour effectuer la mise en place ou le retrait, après traitement, de la pièce. On referme ensuite les deux portes 4 et 7 et on crée un vide à l'intérieur du four par l'intermédiaire de l'ouverture 26 et au moyen d'une pompe à vide classique. Lorsque l'on a atteint un niveau de vide suffisant, entre 10 et 10 torr, on casse le vide par injection d'un gaz inerte par exemple l'azote et on connecte la résistance électrique 22 au circuit d'alimentation en électricité (basse tension et haute intensité) pour provoquer le chauffage du four. Ce chauffage s'effectue par convection à partir de la résistance 22 qui est alors portée au roue. Ce chauffage peut être progressif ou en plusieurs paliers selon la nature du traitement. De même la durée de chauffage et/ou des différents paliers peut être réglée. A cet effet on peut prévoir un automatisme comprenant un organe de programmation, un pyromètre et une minuterie. Une fois l'opération de chauffage terminée, on déconnecte la résistance électrique 22 de son circuit d'alimentation et on procède au refroidissement du four. A cet effet on fait circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur de la résistance 22. Au début de l'opération de refroidissement ce fluide peut être de l'air, puis, en fin d'opération, de l'eau. Pour obtenir un refroidissement uniforme de la pièce, on met en marche la turbine 16 de manière à provoquer un brassage et une circulation de gaz à l'intérieur du four. Le gaz neutre sert ainsi de véhicule caloporteur qui absorbe les calories emmagasinées pendant le chauffage par le moufle et par la pièce, et les restitue au circuit de refroidissement constitué par la résistance 22. Il est clair que ce système permet d'obtenir une très grande souplesse en ce qui concerne le refroidissement et se prête remarquablement bien à une régulation automatique du refroidis serment. Tout d'abord ce système permet de supprimer les inconvénients des fours classiques dans lesquels les éléments de chauffage, qui présentent une inertie calorifique importante, sont longs à se refroidir et maintiennent à l'intérieur du four, même dans le cas où on prévoit des panneaux mobiles, une température élevée qui ne correspond pas toujours à la température de la pièce, ce qui engendre des erreurs non corrigeables dans le contrôle du refroidissement de la pièce. Par contre dans le four selon l'invention, le refroidissement de la résistance tubulaire s'obtient très rapidement dans la première phase de refroidissement, et de ce fait la température à l'intérieur du four est ensuite directement fonction de la température de la pièce. En outre, la vitesse de refroidissement du four, et en conséquence de la pièce, est fonction du débit du fluide de refroidissement circulant dans la résistance tubulaire. Ainsi il est possible de prévoir un système de régulation commandé par le pyromètre et par un organe de programmation, agissant sur le débit de fluide de refroidissement. Une fois le four refroidi, on peut sortir la pièce par les portes 4 et 7 et on peut procéder immédiatement à un nouveau traitement thermique pour une autre pièce. Bien entendu dans l'exemple représenté, le four ne comprend qu'une résistance 22 en serpentin. Il est clair que dans le cas où une puissance de chauffe plus importante est nécessaire, il est possible de prévoir plusieurs résistances en serpentin branchées en parallèle par rapport au circuit d'alimentation électrique et au circuit de fluide de refroidissement. De même le four pourrait également comprendre une cuve à double paroi dans laquelle circulerait un fluide de refroidissement. REVENDICATIONS t.- Four pcur le traitement thermique ou thermochimique de métaux, caractérisé en ce qu'il comprend un système mixte de chauffage et de refroidissement constitué par au moins une résistance chauffante tubulaire, de préférence en serpentin et raccor dée 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. 2.- Four pour le traitement thermique ou thermochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système mixte de chauffée et de refroidissement comprend au moins deux résistances branchées en parallèle sur lesdits circuits d'alimentation en énergie électrique et de refroidissement. 3.- Four pour le traitement thermique sous vide et sous atmosphère de métaux, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de forme bombée, munie d'une porte, à l'intérieur de laquelle est disposé un moufle en matériau thermo-isolant également muni d'une porte, le susdit système mixte,de chauffage et de refroidissement étant disposé à l'intérieur du moufle, et en ce que ladite cuve comprend deux orifices, à savoir, un orifice raccordé à une pompe à vide, et un circuit servant à l'injection d'un gaz neutre à l'intérieur du four. 4.- Four selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une'turbine servant au brassage et à la circulation de gaz neutre à l'intérieur du susdit moufle, cette turbine pouvant être associée à un déflecteur en forme de volute. 5.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur du moufle et transversalement par rapport à celui-ci, une cloison en matériau thermo-isolant disposéeentre le système de chauffage et de refroidissement et la pièce à traiter, cette cloison présentant une section inférieure à la section droite intérieure dudit moufle. 6.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la susdite cuve comprend une double paroi à l'intérieur de laquelle peut circuler un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau.