Brevet FR2476143A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne tout d'abord un procédé de traitement thermochimique de pièces de bombardement ionique, dans lequel on dispose les pièces destinées à être bombardées dans une enceinte, on porte les pièces à un potentiel déterminé, on porte l'enceinte à un potentiel supérieur à celui des pièces, et on introduit dans l'enceinte un gaz de bombardement destiné à être ionisé. Dans un procédé de ce type, c'est l'énergie cinétique des ions qui bombardent les pièces portées à un potentiel négatif qui permet de les chauffer à la température de traitement, et suivant la nature du gaz, il peut s'agir d'un traitement thermochimique de nitruration, de cémentation, de car bonitruration, de sulfuration ou d'un autre type de traitement. Lorsqu'on applique entre deux électrodes, en l'occurrence les pièces, d'une part, et l'enceinte, d'autre part, une différence de potentiel et que ces électrodes baignent dans un gaz, il se crée, au-delà d'une différence de potentiel déterminée appelée tension d'amorçage, une décharge caractérisée par une tension et un courant déterminés. Plusieurs régimes de décharge peuvent être observés suivant la tension et la pression du gaz.La courbe représentative d'une décharge comporte, dans le sens des intensités croissantes, une zone de décharge luminescente normale, correspondant à la chute cathodique normale à tension constante, une zone de décharge luminescente anormale, où la cathode-c'est-à-dire les pièces à traiter est recouverte par l'effluve et où le courant augmente avec la tension, une zone de transition à l'arc très instable, et une zone correspondant au régime d'arc. Le traitement thermochimique par bombardement ionique fait appel au régime de décharge luminescente anormale. Dans le procédé connu, la tension de décharge est une tension continue. Orquandilapparait dans l'enceinte une surintensité, provoquée par exemple par des effets de pointe dus aux états de surface, on passe du régime de décharge anormale au régime de transition à l'arc, et il n'est plus possible de supprimer cette surintensité dans un délai raisonnable pour éviter une destruction locale des états de surface des pièces à traiter. La présente invention vise à éliminer un tel risque. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé par le fait qu'on applique entre les pièces à traiter et l'enceinte une différence de potentiel alternative. Grâce à l'invention, la tension étant alternative, on est certain qu'une surintensité apparue au cours d'une alternance, sera supprimée lors du passage par zéro de cette alternance. Dans une mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on mesure l'intensité du courant dans l'enceinte et on commande, en fonction de cette intensité, la fréquence du signal alternatif appliqué entre les pièces et l'enceinte. Dans ce cas, on peut instantanément faire repasser par zéro l'alternance au cours de laquelle apparatt une surintensité et couper par conséquent instantanément cette surintensité. La présente invention concerne également un dispositif pour le traitement thermochimique de pièces par bombardement ionique selon le procédé de l'invention, comprenant une enceinte, des moyens électriques pour porter les pièces disposées dans l'enceinte à un potentiel déterminé et l'enceinte à un potentiel supérieur au potentiel des pièces, et des moyens d'introduction et d'aspiration d'un gaz de bombardement destiné à 9tre ionisé, caractérisé par le fait que les moyens électriques comprennent un générateur agencé pour appliquer une différence de potentiel alternative entre les pièces et l'enceinte. Dans une forme de réalisation particulière du dispositif de l'invention, ledit générateur est un onduleur à commutation forcée, et de préférence à fréquence variable. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux formes de réalisation du dispositif de l'invention et de leurs fonctionnements, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une représentation schématique du circuit d'alimentation de l'onduleur du dispositif de l'inven tion - la figure 2 est une représentation du signal délivré par le circuit de la figure 1 ;; - la figure 3 est une représentation schématique d'une première forme de réalisation de l'onduleur du dispositif de l'invention - la figure 4 est une représentation du signal délivré par l'onduleur de la figure 3 - la figure 5 est une représentation schématique du circuit électrique transformant le signal délivré par l'onduleur du dispositif de l'invention - la figure 6 est une représentation schématique d'une deuxième forme de réalisation de l'onduleur de l'invention - la figure 7 est une représentation du signal appliqué entre les pièces à traiter et l'enceinte du dispositif de l'invention, et - la figure 8 est une représentation analogue à celle de la figure 7, illustrant l'élimination d'une surintensité. Le dispositif de l'invention comprend une enceinte à bombardement ionique à haute densité, des moyens d'introduction, de préférence à basse pression, et d'aspiration d'un gaz de bombardement destiné à être ionisé, des moyens mécaniques dans l'enceinte agencés pour recevoir des pièces à traiter par bombardement, et des moyens électriques pour appliquer une différence de potentiel entre les pièces à traiter et l'enceinte. A l'exception des moyens électriques, tous les autres éléments du dispositif de l'invention sont parfaitement connus, et n'ont donc/été représentés sur le dessin ni décrits pas plus avant. Le procédé de l'invention consiste à appliquer une différence de potentiel entre les pièces et 1 'enceinte pour créer dans l'enceinte un champ électrique ionisant le gaz, c'est-àdire une décharge. Les ions ainsi formés bombardent les pièces et le plasma ainsi créé permet, par exemple à l'azote ou au carbone, suivant le gaz utilisé, de pénétrer et de diffuser dans les pièces à traiter. Les moyens électriques du dispositif de l'invention sont alimentés en courant triphasé, et ils sont isolés du secteur 1 par un transformateur d'isolement triphasé 2 (figure 1). Ces moyens électriques comportent un porrt 3 à six thyristors, branché sur le secondaire du transformateur 2 te pont 2 fournit un courant redressé et permet de faire varier la puissance. Le courant redressé fourni par le pont 3 est filtré dans un filtre 8 comprenant une bobine 4 et un condensateur 5. On recueille à la sortie du filtre 8, sur la ligne 6 raccordée à la bobine 4, un courant continu, représenté sur la figure 2. En référence à la figure 3, les moyens électriques comprennent encore un onduleur à commutation forcée 7, branché à la sortie du filtre 8. I1 comprend essentiellement un ensemble de quatre thyristors 9 - 12 disposés dans le même sens et connectés deux à deux en série pour former deux paires de deux thyristors branchées en parallèle, quatre diodes 13 - 16, deux bobines 17, 18 et un condensateur 19. Les anodes des thyristors 9 et Il sont connectées à une borne de la bobine 17, dont l'autre borne est connectée à la bobine 4 du filtre 8. La cathode du thyristor 9 est reliée à l'anode du thyristor 10, à l'armature 20 du condensateur 19 et à l'enceinte, par une ligne 22. La cathode du thyristor 11 est reliée à l'anode du thyristor 12, à l'armature 21 du condensateur 19 et aux pièces à traiter, par une ligne 23. Les-anodes des thyristors 10 et 12 sont connectées à une borne de la bobine 18, dont autre borne est connectée à la borne du condensateur 5 opposée à la bobine 4 du filtre 8. Les diodes 13 - 16 sont respectivement montées en parallèle inverse aux bornes des thyristors 9 - 12, ctest-à-di- re que les cathodes des diodes 13, 15 sont reliées à la bobine 4 et les anodes des diodes 14, 16 sont reliées à la borne du condensateur 5 opposée à la bobine 4, et que l'anode de la diode 13 et la cathode de la diode 14 sont reliées à l'armature 20 du condensateur 19 et l'anode de la diode 15 et la cathode de la diode 16 sont reliées à l'armature 21 du condensateur 19. L'onduleur représenté sur la figure 3 est commandé par un circuit de synchronisation classique et bien connu, pour ne pas avoir à être décrit ni représenté. Lorsqu'on "appelle" les thyristors 9 et 12, par l'intermédiaire du circuit de synchronisation agissant sur leurs "gachettes", c'est-à-dire lorsqu'on les rend passants, et que les thyristors 10 et 11 sont bloqués, le courant fourni à la sortie du filtre 8 engendre sur la ligne 22 une polarité positive, à travers la ligne 6, la bobine 17 et le thyristor 9, et sur la ligne 23 une polarité négative, à travers l'autre ligne 24 de sortie du filtre 8, la bobine 18 et le thyristor 12. L'armature 20 du condensateur 19 se charge positivement et l'armature 21 négativement. T Lorsqu'au bout d'un intervalle de temps donné, soit 2 on appelle les thyristors 10 et 11, l'énergie emmagasinée sur les armatures 20 et 21 s'écoule respectivement sur les thyristors 9 et 12 qui étaient jusqu'alors passants, pour les bloquer "en inverse". C'est donc grâce au condensateur 19 qui se décharge, qu'on bloque les thyristors 9 et 12, qu'on n'aurait pas pu sinon bloquer, le courant d'entrée étant continu. Au temps 2, les thyristors 10 et Il sont passants et les thyristors 9 et 12 sont bloqués, si bien que les polarités des armatures 20 et 21, d'une part, et des lignes 22 et 23 s'inversent. Au temps T, on appelle à nouveau les thyristors 9 et 12, et ainsi de suite, pour créer à la sortie de l'onduleur 7, un signal carré alternatif monophasé U, de période T, représenté sur la figure 4. Les diodes 13-16 sont des diodes de récupération qui, quand la charge disposée aux bornes des lignes 22 et 23 n'est pas purement résistive, permettent, par intervalles réguliers, de renvoyer du courant vers la source d'alimentation continue (6, 24), c'est-à-dire de renvoyer de la puissance réactive sur le réseau et, par conséquent,de diminuer le "sin En effet, lorsque le courant est positif, il s'écoule vers l'enceinte par les thyristors et lorsqu'il est négatif, vers le réseau par les diodes de récupération. Les bobines 17 et 18 sont destinées à limiter ce qu'on appelle les flddltfl, c'est-à-dire les surintensités. L'onduleur 7 est relié à l'enceinte de traitement par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur de tension 26 dont l'enroulement primaire est connecté à la sortie de l'on- duleur et d'un pont de diodes 27 (figure 5), branché en parallèle sur l'enroulement secondaire du transformateur et destiné à redresser vers le négatif, les alternances positives du signal U, pour obtenir le signal, représentatif de l'intensité au courant, de la figure 7. Conformément au procédé de l'invention, on transforme donc un signal alternatif fourni par le réseau, en un signal continu qu'on transforme,à nouveau, en un signal alternatif, fourni par l'onduleur, de manière à disposer d'une puissance suffisante et à pouvoir faire varier la fréquence du signal, comme on le verra ci-après. L'onduleur 7 de la figure 3 permet de supprimer une surintensité apparue au cours d'une alternance, lors du passage à zéro de cette alternance. Toutefois il ne permet pas d'éviter, dans certains eas, un court-circuit de ses bornes d'alimentation. L'onduleur 30 représenté sur la figure 6, perfectionne, dans ce but, l'onduleur 7. On a représenté les éléments de l'onduleur 30 identiques à ceux de l'onduleur 7 par les mimes chiffres. L'onduleur 30 se distingue de l'onduleur 7 par le fait que le condensateur 19 y est remplacé par deux condensateurs 40 et 41, associés à quatre diodes 42-45, les quatre thyristors et les quatre diodes étant disposés dans le même sens et connectés quatre à quatre en série pour former deux paires de deux thyristors et de deux diodes connectées entre les deux thyristors associés, et les condensateurs étant branchés, chacun, entre une connexion d'un thyristor et de la diode adjacente de l'une des deux paires et la connexion correspondante d'un thyristor et de la diode adjacente de l'autre des deux paires.Les cathodes des thyristors 9 et Il sont respectivement reliées aux armatures 46 et 47 du condensateur 40 et aux anodes des diodes 42 et 44, les anodes des thyristors 10 et 12 sont respectivement reliées aux armatures 48 et 49 du condensateur 41 et aux cathodes des diodes 43 et 45, les anodes des diodes 43 et 45 sont respectivement reliées aux cathodes des diodes 42 et 44, et les lignes 22 et 23 sont branchées respectivement entre les diodes 42, 43 et 44, 45. Tout comme dans l'onduleur 7 de la figure 3, lorsqu'on appelle les thyristors 9 et 12, les thyristors 10 et 11 étant bloqués, les armatures 46 et 47 du condensateur 40 se chargent, respectivement, positivement et négativement et les armatures 48 et 49 du condensateur 41 se chargent, respectivement, positivement et négativement, également, par la ligne 6, la bobine 17, le thyristor 9, les diodes 42, 43, d'une part et par la ligne 24, la bobine 18, le thyristor 12, les diodes T 45, 44, d'autre part. Lorsque, au temps 2,on appelle les thy- ristors 10 et 11, 11 énergie emmagasinée par le condensateur 40 bloque le thyristor 9 et l'énergie emmagasinée par le condensateur 41 bloque le thyristor 12. Durant cette commutation, les condensateurs 40 et 41 sont isolés de l'enceinte, respectivement par les diodes (42, 44) et (43, 45). Notons que, tout comme à la sortie de l'onduleur 7, on obtient, à la sortie de l'onduleur 30, un signal carré alternatif monophasé. En revenant à la commutation, si une surintensité se produit dans l'enceinte, c'est-à-dire si le régime d'arc apparaît, malgré la chute de tension qui en résulte, les condensateurs 40 et 41 ne peuvent pas se décharger dans l'enceinte, grâce aux diodes entre lesquelles ils sont branchés, si bien que ces condensateurs possèdent toujours l'énergie suffisante pour assurer le blocage des thyristors passants et donc la commutation. En l'absence de ces diodes 42-45, c'est-à-dire dans l'exemple de réalisation de la figure 3, si une surintensité apparaissait, même pendant un temps très court, la chute de tension qui en résulterait provoquerait la décharge du condensateur dans l'enceinte. Quand on appellerait, par exemple, les thyristors 10 et 11, le condensateur ne pourrait plus, faute d'énergie, bloquer les thyristors 9 et 12, si bien que la commutation ne serait pas assurée et les quatre thyristors seraient simultanément passants. Il y aurait donc aux bornes d'alimentation de l'onduleur un court-circuit franc. En référence à la figure 5, à nouveau, notons qu'une bobine 50 est branchée entre l'onduleur (7, 30) et le primaire du transformateur 26, pour limiter l'intensité du courant. Un shunt 51 est branché au raccordement des deux diodes 52, 53 d'une des deux paires de diodes connectées tête-bêche en série du pont 27, Pour mesurerl'intensité du courant dans l'enceinte. Le dispositif de l'invention est agencé, de façon évidente, pour qu'une surintensité détectée par le shunt 51, provoque instantanément une augmentation de la fréquence du circuit de synchronisation, évoqué plus haut, pour appeler instantanément les deux thyristors alors bloqués. Il en résulte que l'alternance 60, au cours de laquelle apparat une surintensité 61, passe instantanément à zéro, ce qui coupe cette surintensité. Ce phénomène est illustré sur la figure 8, où le signal, qui aurait été enregistré après la surintensité en l'absence de cette surintensité, est tracé en tirets. L'augmentation de la fréquence entrain une augmentation de l'effet selfique dans la bobine 50 (figure 5), ce qui diminue l'amplitude de l'alternance suivante 62. Après la disparition de la surintensité, le signal reprend sa forme normale. REVENDICATIONS = =~ === == = = == == = == == == == = = == 1.- Procédé de traitement thermochimique de pièces par bombardement ionique, dans lequel on dispose les pièces destinées à être bombardées dans une enceinte, on porte les pièces à un potentiel déterminé, on porte l'enceinte à un potentiel supérieur à celui des pièces, et on introduit dans l'enceinte un gaz de bombardement destiné à être ionisé, caractérisé par le fait qu'on applique entre les pièces à traiter et l'enceinte une différence de potentiel alternative. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on mesure l'intensité du courant dans l'enceinte et on commande, en fonction de cette intensité, la fréquence du signal alternatif appliqué entre les pièces et l'enceinte. 3.- Procédé selon 1 'une des revendications 1 et 2, dans lequel on transforme le signal alternatif fourni par le réseau en un signal continu, on transforme ce signal continu en un nouveau signal alternatif, et on redresse ce nouveau signal alternatif avant de l'appliquer entre les pièces à traiter et l'enceinte. 4.- Dispositif pour le traitement thermochimique de pièces par bombardement ionique selon le procédé de la revendication 1, comprenant une enceinte, des moyens électriques pour porter les pièces disposées dans l'enceinte à un potentiel déterminé et l'enceinte à un potentiel supérieur au potentiel des pièces, et des moyens d'introduction et d'aspiration d'un gaz de bombardement destiné à être ionisé, caractérisé par le fait que les moyens électriques comprennent un générateur agencé pour appliquer une différence de potentiel alternative entre les pièces et l'enceinte. 5.- Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit générateur est un onduleur à commutation forcée. 6.- Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'onduleur comporte quatre thyristors disposés dans le même sens et connectés deux à deux en série pour former deux paires de deux thyristors branchées en parallèle, et un condensateur branché entre la connexion des deux thyristors d'une des deux paires de thyristors et la connexion des deux thyristors de l'autre des deux paires de thyristors. 7.- Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'onduleur comporte quatre thyristors disposés dans le même sens, et quatre diodes disposées dans le même sens que les thyristors, les thyristors et les diodes étant connectés quatre à quatre en série pour former deux paires de deux thyristors et deux diodes connectées entre les deux thyristors associés, et deux condensateurs branchés, chacun > entre une connexion d'un thyristor et de la diode adjacente de l'une des deux paires et la connexion correspondante d'un thyristor et de la diode adjacente de l'autre des deux paires. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel il est prévu un shunt de mesure de l'intensité du courant dans l'enceinte, connecté à un dispositif de synchronisation pour la commande des thyristors de l'onduleur. 9.- Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le shunt est connecté à la sortie d'un pont de diodes redresseur branchéen parallèle sur ltenroulement secondaire d'un transformateur élévateur dont l'enroulement primaire est connecté à la sortie de l'onduleur. 10.- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel il est prévu une bobine branchée entre l'onduleur et l'enroule- ment primaire du transformateur, pour limiter l'intensité du courant.