Brevet FR2332336A1 — publié le 19770617

La présente invention concerne un procédé pour la réalisation de traitements thermochimiques par bombardement ionique sur des métaux tels que des aciers ou des alliages d'aeier, et un four permettant de réaliser ces traitements. D'une manière générale on sait que, à l'heure actuelle, les fours à bombardement ionique industriels sont exclusivement utilisés pour des traitements de nitruration ionique. Ainsi, pour réaliser un traitement de nitruration ionique, les pièces å traiter sont placées sur la cathode d'un four ou d'un réacteur è bombardement ionique, dont les parois constituent l'anode. On introduit le ou les gaz (par exemple l'azote et l'hydrogène) sous une pression de 0,5 à 10 tors et on applique une différenoe de potentiel de 400 à 1000 volts. Il apparait alors un régime de décharge et une chute de potentiel au voisinage de la cathode. Dans cet espace se crée un plasma formé d'ions actifs qui sont accélérés vers la pièce.Dès lors, les ions s'écrasent sur la pièce (qui, comme précédemment mentionné constitue en fait la cathode du réacteur) et pénètrent dans la couche superficielle de ladite pièce où ils demeurent sous forme de nitrures. Au cours de ce bombardement, 11 énergie cinétique des ions se transforme en chaleur, ce qui se traduit par un échauffement de la pièce. Ce procédé possède de gros avantages sur les autres procédés de nitruration du fait qu'il permet de traiter tous les aciers, qu'il consomme relativement peu d'énergie, et qu'il est non polluant, puisque l'on travaille sous un vide relatif. Toutefois, ce procédé présente un grave inconvénient, è savoir, quSil ne permet pas un traitement simultané de plusieurs pièces de grosseur différente. En effet, l'échauffement des pièces étant fonction des dimensions de la surface exposée au bombardement, il ne peut y avoir une homogénéité thermique, dans le cas où les pièces présentent des formes ou des dimensions différentes. En conséquence, ce procédé ne convient que pour des séries de pièces identiques,8 ltexclusion de sdries hétérogènes de pièces, comme cela se présente couramment dans les traitements à la façon. En outre, le procédé actuel ne permet pas des traitements autres que la nitruration du fait que la température des pièces n'excède pas 6oye0. L'invention a donc pour but de supprimer tous ces inconvénients. Elle propose è cet effet un procédé de traitement par bombardement. ionique permettant, d'une part > d'effectuer des traitements de nitruration ionique simultanés sur des pièces de forme et de dimensions différentes, et, d'autre part, dleffectuer une gamme étendue de traitements thermiques tels quepar par exemple > la sul- finisation, la carbonitruration, la boruration, les diverses cémentations,etc... Le procédé selon l'invention consiste à chauffer préalablement dans le four, les pièces à la température de traitement ou aux alen tours de celle-ci, et à n'effectuer le traitement par bombardement ionique qu'unie fois que ladite température est atteinte, de sorte que l'apport calorifique dt au bombardement ionique ne sert plus Qu'au maintien de la susdite température en cours de traitement. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour parfaire l'homogénéité thermique de pièces hétérogènes,on peut alterner, au cours d'un même traitement)des des séquences de chauffage (ou éventuellement de refroidissement) pour ramener l'ensemble des pièces contenues dans le four, à la température de traitement, avec des séquences de traitement par bombardement ionique, la fréquence et la durée de ces séquences étant fonction de la nature desdites pièces. Ainsi, un four permettant d'appliquer le procédé selon l'invention peut comprendre essentiellement d'une parts une structure de four à atmosphère réduite classique, comportant par exemple une enceinte isolante et étanche, un bouclier thermique, des moyens pour réaliser un vide relatif i l'intérieur du four et des conduits d'accès de gaz de traitement, une turbine pourvant servir à la circulation des gaz de traitment et/ou au refroidisse- ment des pibces,une catode servant de support des objets à traiter, la paroi interne du four servant,d'anode,une alimentation haute ten sion en énergie électrique,et d'sutre part, l'intérieur du four des éléments de chauffage et/ou de refroidissement. On notera à ce propos que ces éléments de chauffage peuvent agir par rayonnement sous vide ou par convection ou par circulation de gaz caloporteur. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès) à titre dwexemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un four à bombardement ionique équipé d'un système mixte de chauffage et de re froidissementj La figure 2 est un four d'un type analogue au précédent, équipé d'un système de chauffage par rayonnement; La figure 3 est un four à bombardement ionique comprenant à la fois un système mixte de chauffage et de refroidissement et un système de chauffage par rayonnement. avec référence à la figure 1 le four de traitement par bombardement ionique 1 comprend une cuve extérieure 2 à double parois entre lesquelles est disposée~une couche en matériau thermiquement isolant 3. la paroi intérieure 4 de ce four 1, de forme appropriée pour résister à des différences de pression (intérieur-extérieur) importantesconstitue l'anode du four 1, et, par conséquent, est réaliséeen un matériau électriquement conducteur et de résistance mécanique élevée, par exemple en acier. La cathode de ce four est constituée par une plaque 5 servant de support aux objets 6 à traiter et qui sont, par consé quent > portés au potentiel de la cathode. le four comprend également un bouclier thermique 7 délimitant le volume utile du four 1 et une turbine 8 pour la circulation des gaz de traitement et/ou de refroidissement dont le moteur 9 est refroidi, par exemple,au moyen d'un serpentin 10. Bien entendu ce four I est équipé de moyens classiques permettant de réaliser un vide relatif à l'intérieur du four et des moyens pour injecter dans le four des gaz de traitement. par exemple de l'azote, de l'hydrogène etc... la cathode et l'anode sont,quent à ellesnreliées à une source d'énergie électrique à haute tension et à haute intensité. Selon l'invention, ce four 7, est équipé en outre d'un système mixte de chauffage et de refroidissement > par exemple un système tel que décrit dans la demande de brevet français 75 15503, constitué par une résistaQcetubulairel2,en serpentin raccordée à 11 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 tel four 1 convient particulièrement bien pour les traitements thermochimiques tels que la nitruration, c'est-8-dire les traitements qui s'effectuent à des températures inférieures i 7000C. Pour effectuer un tel traitement on dispose les pièces 6 sur la plaque support 5 puis on réchauffe le four 1 à l'aide du système mixte de chauffage et de refroidissement 12. Pendant cette séquence de chauffagele four 1 est à la pression atmosphérique, et le gaz, à l'intérieur du four, brassé par la turbineZ 8 sert de gaz caloporteur. Une fois la température désirée atteinte, par exemple la température de traitement, on purge le four 1, c'est-à-dire on réalise un vide relatif à l'intérieur du four, guis on introduitleonhs gaz de traitement, On peut alors effectuer le traitement par bombardement ionique en connectant l'anode (paroi 4) et la cathode (plaque 5) du four à la susdite alimentation haute tension, haute intensité. I1 est à noter que, au cours de ce traitement, l'énergie calorifique)dégagée par les ions au moment de leur impact sur la couche superficielle des pièces, ne sert qu'à maintenir la température de traitement des pièces et non, comme c'était le cas dans les fours à bombardement ionique classiques, à porter ces pièces à la températare de traitement à partir de la température ambiante. Il est clair que cette particularité permet de travailler sous des tensions et des intensités inférieures à celles des fouis classiques, et d'obtenir une bonne homogénéité thermique des pièces à traiter, et ce, quelles que soient leurs formes. Pour obtenir une meilleure homogénéité, dans le cas de pièces 'de dimensions très différentes, on peut effectuer une succession alternée de séquences de chauffage par le système mixte de chauffage et de refroidissement, et de traitement par bombardement ionique. De même, dans le cas ou la température des pièces deviendrait trog importante, (cas des pièces de faible volume et de grande surface), il est possible de refroidir les pièces entre deux séquences de traitement au moyen du système mixte de chauffage et de refroidissement. Avec référence à la figure 2 le four de traitement par bombardement ionique 12, de structure similaire à celle u four représenté figure 1, comprend, au lieu du système mixte de chauffage et de refroidissement 12, un système de chauffage par rayonnement constitué par un réseau de résistances 13 disposé à l'intérieur de l'enceinte constituée par les boucliers thermiques 7. Un tel système de chauffage permet d'élever les pièces à des températures beaucoup plus élevées, par exemple au-delà de 11000C. Ce système de chauffage qui ne se prête pas bien pour des températures relativement basses, de l'ordre de 600 C, présente cependant un avantage important qui consiste en ce qu'il permet le chauffage sous un vide relatif, ce qui évite, lorsqu'on alterne les séquences de chauffage et les séquences de traitement, d'avoir à injecter un gaz à la pression atmosphérique pour effec -tuer le chauffage, puis de purger le four pour effectuer le traitement. En raison des températures élevées qu'il permet d'obtenir, ce four permet d'effectuer une gamme étendue de traitements thernochi- miques tels que la carbonitruration (aux alentours de 8500), la cémentation (aux alentours de 9200)et la boruration (900 à 1000 C). Il est également possible, au lieu d'utiliser la paroi interne du four pour faire office.d'anode, d'équiper le four d'anodes consommables et d'effectuer ainsi des déptts-métalliques à des températures voisines de 1100.. Il apparait donc que les deux fours 1 et 12 précédemment décrits sont chacun destinés bides traitements dans des gammes de températures bien délimitées, à savoir respectivement, des gammes de températures inférieures ou égales à 7000 environ(nituration ionique) et des gammes de températures supérieures à 7000(carbonitruration, cémentation, boruration et dépôts métalliques). Cette particularité nécessite donc l'utilisation de deux foursdistincts si l'on désire effectuer la totalité des traitements thermiques et thermochimsques. Pour supprimer cet inconvénient, 11 invention propose également un four combinant les caractéristiques des deux fours précédemment décrits et qui permet, en conséquence, d'effectuer l'en- semble des traitements précedemment mentionnés. Avec référence à la figure 3, un tel four 15 comprend d'une part > comme dans le cas de la figure 1, un système mixte de chauf fage et de refroidissement 12, et, d'autre part, comme dans 11 exemple représenté figure 2, un système de chauffage par rayonnement constitué par un réseau de résistances 13. On notera enfin qu'en l'absence de haute tension appliquée à la cathode et à l'anode des fours précédemment décrits, ces fours peuvent titre utilisés pour les traitements classiques de trempe, de revenu ou mtme de recuit. REVENDI CÂTI ONS 1.- Procédé pour la réalisation de traitements thermochimiques par bombardement ionique sur des métaux tels que des aciers ou des alliages d'acier caractérisé en ce qu'il consiste à chauf fer préalablement dans le four les pièces à la tempérautre de traitement ou aux alentours de celle-ci et à n'effectuer le traitement par bombardement ionique qu'unie fois que ladite température est atteinte, de sorte que l'apport calorifique dd au bombardement ioni- que ne sert plus qu'au maintien de la susdite température en cours de traitement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour parfaire l'homogénéité thermique des pièces hétérogènes, on peut alterner,au cours d'un mme traitement,des séquences de chauffage (ou éventuellement de refroidissement) pour ramener l'ensemble des pièces contenues dans le four, à la température de traitement, avec des séquences de traitement par bombardement ionique, la fréquence et la durée de ces séquences étant fonction de la nature desdites pièces. 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit chauffage s'obtient par rayonnement sous vide, par connection, ou encorpe par l'intermédiaire d'un gaz coloporteur. 4.- rour à bombardement ionique permettant d'appliquer le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement d'une part, une structure de four à atmosphère réduite classique, comportant par exemple une enceinte isolante et étanche, un bouclier thermique, des moyens pour réaliser un vide relatif à l'intérieur du four et des conduits d'accès de gas de traitement, une turbine de circulation des gaz de traitementet/ou de refroidissement à l'intérieur du four, une cathode servant de support des objets à traiter, la paroi servant d'anode, une alimentation haute tension en énergie electri- que, et, d'autre part, à l'intérieur du four, des éléments de chauf fage et/ou de refroidissement. 5.- Pour à bombardement ionique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les susdits éléments de chauffage et de refroidissement sont constitués par un système mixte comprenant une résistance tubulaire en serpentin raccordée à l'extérieur du four, d'une part à un circuit d'alimentation en énergie électrique et d'autre part, à au moins uae source de fluide de refroidisse ment tel que l'air comprimé ou liteau. 6.- Four à bombardement ionique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les suadits éléments de chauffage sont constitués par des résistances électriques disposées à l'intérieur du four. 7.- Bour à bombardement ionique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les susdits éléments de chauffage et de refroidissement sont constitués par la combinaison du susdit système mixte et des susdites résistances. 8.- Four à bombardement ionique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil comprend une anode con -sommable ou non.