Brevet FR2506336A1 — publié le 19821126

La présente invention se rapporte au domaine du traitement chimio-thermique et a-notamment pour objet une installation pour le traitement thermique et chimio-thermique de pièces métalliques. L'invention peut Outre utilisée notamment pour le durcissement de pièces chargées en vrac, telles que les vis autofiletantes et autres éléments de fixation. L'invention peut également être appliquée au durcissement de piècès constituant des couples de frottement utilisés dans les appareils, les installations et les machines, par des méthodes de traitement chimio-thermiques: nitruration au gaz, cémentation, nitrocémentation, etc. L'invention peut aussi entre utilisée dans le traitement thermomagnétique de pièces de circuits magnétiques. L'invention peut trouver un large domaine d'application dans les constructions mécaniques, la construction d'appareils et de groupes de machines. Les fours à cuve électriques sont largement utilisés dans le traitement de pièces par voie chimio-thermique et thermique. Est connu un four à cuve électrique utilisé pour le traitement chimio-thermique et thermique de charges en vrac (voir le certificat d'auteur d'invention URSS No. 501090), comportant une enveloppe avec un garnissage, un calorifère, des écrans de guidage, un ventilateur, un panier de chargement placé sur un support. Ledit support est équipé d'un mécanisme de rotation périodique de 1800 autour d'un axe vertical, et à l'intérieur du panier de chargement est monté un écran vertical imperméable aux gaz. Ce four fonctionne de la manière suivante. Le couvercle du four étant ouvert, on place sur le support le panier de chargement contenant la charge, ensuite on ferme le couvercle et on met en action le ventilateur et le calorifère. Sous l'action du ventilateur, le gaz passe à travers le calorifère et transmet la chaleur à la charge. Le panier de chargement contenant la charge reçoit périodiquement une rotation de 1600 autour de l'axe vertical. La construction de ce four connu ne permet pas d'obtenir un rendement élevé du fait du caractère périodique du traitement, car la plus grande partie de la durée du processus technologique est constituéepar le temps nécessaire aux opérations auxiliaires de chargement et de déchargement, de chauffage et de refroidissement. La présence du mécanisme de rotation diminue l'étan- chéité du four. Outre cela, la construction connue du four ne donne pas la possibilitd de réaliser une trempe non-oxydante directement à partir de la température à laquelle on effectue le traitement chimio -thermique et thermique. On connatt un four électrique (voir le certificat d'auteur d'invention URSS NO 111793, délivré en 1957), comprenant une enveloppe avec un garnissage, réalisée sous forme d'un cône pourvu de dispositiréchauffeurs et d'un moufle avec un couvercle, ainsi que des électroaimants disposi entre l'enveloppe et le moufle et présentant des épanouissements polaires orientés vers le moufle. Les électro-aimants sont montés sur la surface conique latérale du moufle. Par l'intermédiaire d'une vis de guidage ou d'une conduite ou auge, les pièces à traiter sont introduites, à travers un orifice de chargement prévu dans le couvercle, dans le moufle, où lesdites pièces sont retenues par le champ magnétique engendré par les électro-aimants. Au fur et à mesure du réchauffement des pièces à traiter jusqu'à la température requise, le métal perd ses propriétés magnétiques, mais les pièces sont retenues par l'électro-aimant sur la paroi inclinée sous l'effet des forces de frottement. Quand le métal perd définitivement ses propriétés magnétiques, les pièces subissant le traitement, sous l'action de leur propre poids, se déplacent sur la paroi inclinée vers le bas et arrivent dans un réservoir de trempe. Dans ce four connu, la valeur de l'angle formé par les axes des éléctro-aimants est déterminée par la valeur de l'angle de cône des parois de la chambre de travail, qui est calculé de manière à assurer la rétention des pièces à traiter en fonction de leur poids et de leur configuration et qui ne dépend pas d'autres causes de nature physique, par exemple des conditions permettant de créer la symétrie nécessaire du champ, de l'action exercée sur le déroulement des réactions chimiques sur la surface de séparation de la phase gazeuse et du corps solide, des transformations allotropiques et polymorphiques au cours du traitement thermique. Le dispositif utilisé pour engendrerle champ magnétique n'assure pas la concentration du flux magnétique dans la zone de travail. On connais un four à cuve (voir le certificat d'auteur d'invention URSS NO 558967 délivré en 1975) utilisé pour nitruration de pièces, comportant une enveloppe garnie et des éléments chauffants, un moufle à couvercle amovible et un ventilateur, un dispositif servant à engendrer un champ magnétique et un dispositif de chargement et de déchargement des pièces. Dans le moufle est monté, avec un Jeu technologique garanti par rapport à ses parois et à son fond, un solénoïde servant à engendrer le champ magnétique. Ledit solénoïde est réalisé sous forme d'une carcasse avec un enroulement de fil en alliage contenant 20 96 de Cr et 80 % de Ni. L'alimentation du solénoïde est assurée par l'intermédiaire d'une amenée de courant prévue dans l'enveloppe du four. Le fonctionnement du four est le suivant. On place les pièces à traiter dans le moufle, ensuite on ferme ledit moufle avec le couvercle et on laisse passer à travers le moufle de l'ammoniac. On applique la tension aux éléments chauffants et au solénoSde séparément ce qui assure leur fonctionnement indépendant. En cas d'utilisation d'un champ magnétique de courant alternatif, l'effet diamagnétique de la charge de pièces réduira l'action du chaw magnétique extérieur. Dans les fours de cette construction, la commande des paramètres du champ électromagnétique est difficile à réaliser et le rendement du générateur de champ est faible. Le solénoïde, dans cette solution technique, remplit plutôt le rôle d'un élément chauffant complémentaire que d'un générateur de champ électromagnétique, étant donné que ledit solénide est réalisé à partir d'un alliage con tenant 20 % de Cr et 80 % de Ni. L'énergie qutest es appliquée au solénoïde est pratiquement entièrement transformée en chaleur, et non pas en énergie de champ électromagnétique. Le faible rendement d'un générateur de champ électromagnétique de ce genre est aussi db à la diffusion considérable du flux magnétique, d'où il résulte une instabilité des paramètres du champ électromagnétique engendré dans le volume de travail du moufle. Pour obtenir un champ homogène, le rapport entre le diamètre du solénolde et sa longueur doit notre de 1:10, respectivement. La géométrie du moufle du four ne permet pas d'observer ce rapport. Ainsi, la construction du four connu est telle que ledit four exige des dépenses d'énergie considérables pour obtenir une intensité de champ non seulement de l'ordre de dizaines de kA/m, mais même de l'ordre de dizaines de A/m. Dans le cas considéré, on n'arrive pas non plus à éliminer complètement l'influence mutuelle du solénoTde sur la précision de maintien de la température prédéterminée, ce qui, en combinaison avec ce qui a été mentionné ci-dessus, ne permet pas de modifier de la manière voulue les paramètres du processus technologique et d'améliorer la qualité des couches cémentées. Le rendement du four de construction connu est diminué dans une certaine mesure par le caractère périodique du fonctionnement dudit four, du fait que l'on est obligé de dépenser un temps considérable pour effectuer les opérations de chargat et de déchargement des pièces, lesdites opérations exigeant l'utilisation de moyens et de mécanismes spéciaux. Outre cela, il est difficile d'assurer un échauffement régulier de la charge de pièces et une circulation du milieu saturant. Les fonctions du champ magnétique sont limitées et consistent seulement à agir sur la vitesse de déroulement du processus de saturation. En mbme temps, il faut tenir compte du fait que le solénoïde est soumis à l'action de la température et d'un milieu. agressif, ce qui réduit la durée de service du solénoïde, tandis que la nécessité d'un isolement électrique et d'une étanchéification de 1 'amenée de courant dans la zone de haute température rend moins fiable et moins sflr le fonctionnement de l'équipement. De plus, la construction considérée ne permet pas d'assurer la réalisation d'une trempe non-oxydante en partant directement de la température de nitruration. Dans le cadre de la présente invention on stest proposé de créer une installation pour le traitement chimio thermique et thermique pièces métalliques, qui, gracie à l'introduction de nouveaux éléments de construction et grace à leur disposition mutuelle, et du fait de ltélimina- tion de l'effet de la température et du milieu saturant, au cours du déroulement du processus technologique, sur les éléments du dispositif servant à engendrer le cbamp magnétique, et de l'influence réciproque des éléments chauffants et du système magnétique, due au maintien, par le système magnétique, des paramètres requis du champ engendré et au déplacement des pièces, au cours du traitement, suivant la zone de travail de l'installation en combinaison avec une coordination du fonctionnement des dispositifs de chargement et de déchargement, donnerait la possibilité d'assurer le fonctionnement continu de l'installation, la commande des paramètres du champ magnétlquade rendre plus intense le processus de traitement, d'améliorer la qualité du traitement des pièces. Ce problème est résolu du fait que, dans une installation pour le traitement chimio-thermique et thermique de pièces métalliques placées dans un moufle renfermé dans une enveloppe contenant en outre un élément chauffant, un isolement thermique et un dispositif servant à engendrer un champ magnétique, ladite installation comportant un dispositif pour le chargement et le déchargement des pièces et un dispositif d'amenée d'un milieu saturant, selon l'invention ledit dispositif servant à engendrer le champ magnétique est réalisé sous forme d'un système magnétique fermé embrassant sur toute sa longueur le moufle avec les pièces qui sont placées dans ledit moufle au cours du traitement, et susceptible de se déplacer, au cours du déroulement du processus de traitement des pièces,grtce au champ magnétique engendré par le système magnétique, vers le dispositif de déchargement des pièces traitées, disposé au-dessous du moufle. Il est avantageux que le système magnétique fermé soit réalisé sous forme d'électro-aimants assemblés deux par deux dans un magasin embrassant le moufle, les axes des électro-aimants opposés dans chaque paire étant disposés sur une meme droite, tandis que les axes des paires d' électro-aimants qui sont contigus dans le magasin se croisent sous un angle droit, et sous forme d'un élément chauffant réalisé mus forme d'une spirale bifilaire et disposé à l'intérieur du moufle. Il est recommandé que le dispositif pour le déchargement soit réalisé sous forme de guides sur lesquels sont disposées une pince et une commande de déplacement dudit dispositif. l'introduction des éléments de construction précités et leur disposition réciproque dans l'installation pour le traitement chimio-thermique et thermique de pièces donne la possibilité de créer un champ magnétique dont l'intensité est réglable jusqu'à 40 kA/m du fait de l'utilisation d'un système magnétique fermé, d'un refroidissement et d'une protection thermique et d'un fonctionnement autonome des électro-aimants. Le système magnétique ne subit pas l'action du milieu saturant agressif. Les électro-aimants assemblés dans le magasin assurent, grâce à leur commutation successi ve,le transport des pièces au cours de leur traitement, r mélange et leur amenée dons le réservoir de trempe dans des conditions qui permettent d'éviter une oxydation de la surface à traiter des pièces.L'emplacement de ltélément chauffant à l'intérieur du moufle permet d'augmenter la vitesse de mise en température des pièces, ainsi que de diminuer la quantité de chaleur diffusée dans l'espace environnant. La réalisation bifilaire de la spirale de il élément chauffant permet d'exclure une déformation du champ engendré par les électro-aimants dans la zone de travail du moufle. L'utilisation de l'installation proposée pour le traitement chimio-thermique et thermique de pièces métalliques assure une amélioration de I ensemble des propriétés physico-mécaniques des pièces traitées en méme temps qu'unie intensification du processus de traitement chimio-thermique de 1,5 à 2 fois. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exempleS non limitatifs, avec références auKdessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une installation pour le traitement chimio-thermique et thermique de pièces métalliques, vue en coupe, selon l'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe suivant II-II de la figure 1. L'installation pour le traitmment chimio-thermique et thermique de pièces métalliques est constituée par un corps 1 (figure 1) dans lequel est placé un moufle 2 assemblé d'une manière étanche à une trémie 3 faisant partie d'un dispositif de charmement des pièces, et à un réservoir de trempe 4 faisant partie d'un dispositif de déchargement des pièces ayant subi le traitement. Le moufle 2 est fabriqué en acier amagnétique. Dans le moufle 2, à l'intérieur d'un tube en quartz 5, sur un mandrin en céramique 6, est monté un élément chauffant 7 qui est réalisé sous la forme d'une spirale bifilaire. L'extrémité inférieure du tube en quartz 5 est fermée d'une manière étanche.L'extrémité supérieure du tube 5 débouche de l'installation à travers les joints d'étanchéité 8 du corps de la trémie 3 et se trouve dans un ensemble refroidi 9 d'amenée de tension, ledit ensemble comportant des joints d'étanchéité 10. Autour du moufle 2 est prévu un isolement thermique 11. Du côté extérieur de l'isolement thermique 71 sont disposés des électro-aimants comprenant des circuits magnétiques fermés 12 séparés l'un de l'autre par l'intermédiaire de joints en matériau diamagnétique 13. Entre les circuits magnétiques 12 et l1isolement thermique 11, sur les noyaux 14 présentant des épanouissements polaires 15, sont montées des bobines 16. Le réservoir de trempe 4 se présente sous forme d'un réservoir divisé par une cloison 17 en deux compartiments, dont l'un est mis en communication avec le moufle-2 et possède un électro-aimant 18 sur le tirant 19 duquel est monté un organe de coupure 20 retenu par un ressort 21. Dans l'autre compartiment du réservoir de trempe 4 sont installés des guides 22 d'un gabarit. Sur les guides 22 du gabarit est monté un dispositif de prise électromagnétique 23 relié à une commande assurant son déplacement, ladite commande étant réalisée sous forme d'un vérin hydraulique 24. Dans les deux compartiments du réservoir de trempe 4 sont montées des cloisons perforées 25 et 26. Entre le réservoir de trempe 4 et le dispositif de prise électromagnétique 23 en position haute est prévu un récipient 27 recevant les pièces ayant subi le traitement, le fond dudit récipient étant perforé. Une pompe hydraulique 28 équipée d'une commande électrique 29 est mise en communication à travers des canalisations d'aspiration et de refoulement, respectivement avec le réservoir de trempe 4 et le vérin hydraulique 24.Des tubulures 30 et 31 d'amenée et d'évacuation sont placées respectivement dans le corps de la trémie 3 et du réservoir de trempe 4. Les tubulures 31 sont mises en communication avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'un obturateur d'huile 32. La trémie 3 comporte un couvercle étanche 33 et un isolement thermique 34. La figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1, qui montre que les axes des bobines opposées 16 disposées sur un méme circuit magnétique 12 se trouvent sur une même droite, tandis que les axes des paires contigu: de bobines 16 des électro-aimants se croisent sous un angle droit. Le fonctionnement de l'installation pour le traitement chimio-thermique et thermique de pièces est le suivant. On remplit le réservoir de trempe 4 (figure 1) d'un liquide de trempe jusqu'à un niveau dépassant la tranche inférieure de la cloison 17 d'une valeur de 1,5 à 2 fois supérieure à la valeur de la pression du milieu saturant, régnant dans le moufle 2, ladite pression étant exprimée en mm de hauteur de la colonne de liquide de trempe. On met les pièces à traiter dans la trémie 3 et on ferme ladite trémie avec le couvercle 33. A travers la tubulure 30 on amène le gaz qui est utilisé en qualité de milieu Saturant et qui déplace l'air contenu dans la trémie 3, dans le moufle 2 et dans le réservoir de trempe 4, et sort ensuite à l'atmosphère à travers les tubulures 31 et l'obturateur d'huile 32. Ensuite, par l'intermédiaire de l'ensemble étanche 9, on applique une tension à l'élément chauffant 7. Les pièces à traiter sont retenues dans le moufle 2 au moyen de l'organe de coupure 20. Lorsque la valeur de la température dans le moufle 2 se trouve comprise entre 450 et 5000C, on applique une tension continue aux bobines 16 des électro-aimants, qui engendrent alors un champ magnétique constant dans le moufle 2.Le flux magnétique se refermant à travers les pièces à traiter placées dans le moufle 2 du four, entre les épanouissements polaires 15, permet de retenir lesdites pièces dans le champ créé par 1'électro-aimant. La mise en température des pièces est assurée par l'énergie rayonnante fournie par I'élement chauffant 7 et par transmission de chaleur, ce qui permet de réduire de 2 à 4 fois le temps nécessaire à la mise en température des pièces et de diminuer la puissance requise de ltélément chauffant. Au bout du temps nécessaire à ltobtention de la profondeur requise de la couche cémentée, se met en action l'6lectro-aimant 18 qui, par l'intermédiaire du tirant 19, en comprimant le ressort 21, déplace l'organe de coupure 20 vers le bas, en ouvrant ainsi le moufle 2. Simultanément, on met hors tension les bobines 16 de l'électro-aimant inférieur et unepartie des pièces tombe sur la cloison 25 et arrive dans le liquide de trempe 4, après quoi ces pièces s'accumulent sur le fond du réservoir de trempe 4. Après cela, l'organe de coupure 20 reprend sa position initiale et on applique la tension à la bobine 16 de l'électro-aimant inférieur. Les bobines 16 de l'électro- aimant contigu disposées plus haut sont alors mises en hors tension. Simultanément avec le déplacement vers le bas de ladite partie de pièces, se produit leur retournement d'un angle de 900 grâce au croisement à angle droit des axes des bobines 16 des électro-aimants contigus. Ensuite la commutation des bobines 16 disposées plus haut et faisant partie des électro-aimants contigus est effectuée dans le meme ordre, ce qui provoque le déplacement des pièces à traiter d'en haut, depuis la trémie 3, vers le réservoir de trempe 4. Lors de chaque commutation, se produit un retournement des pièces de 900, ce qui assure une meilleure répartition du milieu saturant entre les pièces. Le dispositif de prise électromagnétique 23, par l'intermédiaire du vérin hydraulique 24, en se déplaçant sur les guides 22 du gabarit, effectue la prise des pièces qui se sont accumulées sur le fond du réservoir 4 etleur ddchargement dans le récipient 27. Pour assurer le meilleur rendement possible du four, la quantité de pièces à traiter chargées dans la trémie 3 correspond à la quantité de pièces à travailler par jour. Lorsque l'installation fonctionne de la manière décrite ci-dessus, on arrive à réduire la puissance consommée par l'élément chauffant de 2 à 3 fois et à augmenter la vitesse de chauffage de 2 à 4 fois, ce qui permet d'augmenter le rendement de l'installation. La réalisation de la trempe dans une atmosphère non oxydante directement après la réalisation de la cémentation augmente la résistance à lsusure, la tenue à la corrosion des pièces traitées,en mtme temps qu'elle assure un haut degré de finition de leur surface. La dureté des aciers non alliés à carbone élevé et à carbone moyen a augmenté, après nitruration, de 2 à 3 fois. 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 cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Installation pour le traitement d thermique et thermique de pièces métalliques, du type comportant un mou fle (2) recevant les pièces à tr w etrenfermé dans un corps (1) contenant en outre un élément chauffant (7), un isolement thermique (11) et un dispositif destiné à engendrer un champ magnétique, et comportant aussi un dispositif pour le chargement et le déchargement des pièces et un dispositif pour l'amenée d'un milieu saturant, caractérisée en ce que le dispositif destiné à engendrer le champ magnétique est réalisé sous forme d'un système magnétique fermé embrassant sur toute sa longueur le moufle (2) contenant les pièces au cours de leur traitement, et susceptible de se déplacer au cours du traitement des pièces, gracie au champ magnétique cré par le système magnétique, vers le dispositif de déchargement des pièces traitées, installé au-dessous du moufle (2). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système magnétique fermé est réalisé sous forme d'électro-aimants assemblés deux par deux dans un magasin embrassant le moufle (2), les axes des électroaimants mutuellement opposés de chaque paire d'électroaimants étant disposés sur une ême droite et les axes des paires d' électro-aimants contigus dans le magasin se croisant à angle droit, et sous forme d'un élément chauffant (7) se présentant sous forme d'une spirale bifilaire et monté à l'intérieur du moufle (2). 3. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le dispositif de déchargement des pièces traitées est réalisé sous forme de guides (22) sur lesquels sont montés un dispositif de prise (23) et la commande de déplacement de ce dernier.