Brevet FR2510244A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne le traitement par voie chimio-thermique et a notamment pour objet un fuur électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages. L'invention peut être appliquée en particulier au durcissement de pièces constituant des couves de frottement dans divers instruments, appareils et machines,obtenu par les méthodes de traitement chimio-thermique : nitruration gazeuse, cémentation, carbonitruration, etc. L'invention peut aussi être utilisée pour le traitement thermomagnétique de pièces de circuits magnétiques, quelles soient en métaux magnétiquement durs ou en métaux magnétiquement doux. L'invention peut trouver de nombreuses applications dans la construction d'appareillages et d'instruments, dans les constructions mécaniques. Dans la pratique du traitement chimio-thermique, sont largement utilisés les fours électriques à cuve. On connait un four pour la nitruration gazeuse de pièces ("Equipement et étude des ateliers de traitement thermique" par Rusez S.L., Moscou, "Mashgiz , 1962, pp. 230 à 233), comprenant une carcasse à garnissage, des éléments chauffants, un moufle avec un couvercle amovible. Les éléments chauffants de ce four sont réalisés sous la forme d'un solénoïde entourant le moufle du four. On place les pièces dans le moufle , on ferme le couvercle du moufle et on fait passer à travers celui-ci de l'ammoniac. On met les éléments chauffants sous tension. Simultanément avec le chauffage, la circulation du courant à fréquence industrielle à travers les éléments chauffants assure la création d'un champ électromagnétique dans le moufle du four Pendant la marche du four, les éléments chauffants se branchent ou se débranchent automatiquement pour le maintien de la température prescrite dans le moufle du four0 Dans de tels fours, l'action du champ électromagnétique sur le processus de nitruration a un caractère périodique. Le contrôle des paramètres du champ électromagnétique est impossible à réaliser. La régulation des paramètres du champ électromagnétique dans ces fours est elle aussi exclue. De la sorte, l'absence de contrôle et de régulation des paramètres du champ électromagnétique dans les fours de cette conception, ainsi que le caractère périodique de l'action du champ électromagnétique sur le processus de nitruration ne permettent pas vagir d'une manière efficace sur la qualité et la vitesse du processus. On connais aussi un four électrique (certificat dtauteur d'invention URSS NO 111793, 1957), comprenant une carcasse à garnissage réalisée sous la forme d'un cône équipé d'éléments chauffants et d'un moufle pourvu d'un couver-cle, et des électroaimants disposés entre la carcasse et le moufle de façon que leurs pièces plaires soient orientées vers le moufle. Les éI-ectroaimants sont montés sur la surface conique latérale du moufle. Le four fonctionne de la façon suivante : les pièces sont introduites dans le moufle à travers un trou de chargement réalisé dans le couvercle, à l'aide d'unie hélice ou vis de guidage ou d'un chenal, et sont retenues dans le moufle par le champ magnétique des électroaimants. Au fur et à mesure que 'les pièces se réchauffent, le métal perd ses propriétés magnétiques, mais les pièces sont retenues par les électroaimants sur la paroi inclinée sous l'effet des forces de frottement. Quand le métal a complètement perdu ses propriétés magnétiques, les pièces glissent par gravité suivant la paroi inclinée et tombent dans la cuve de trempe. Dans ce four connu, l'angle entre les axes des électroaimants est déterminé par l'angle de cône des parois du laboratoire du four, lequel est calculé de façon à assurer l.e maintien des pièces selon leur poids et leur configuration. Cet angle n'est déterminé par aucune considération de nature physique, par exemple l'obtention de la symétrie nécessaire du champ, l'action a exercer sur le déroulement des réactions chimiques à l'interface gaz-solide, les transformations polymorphes (allotropiques) lors du traitement thermique. Le dispositif engendrant le champ magnétique n'assure pas la concentration du flux magnétique dans la zone de travail. On connaît un autre four à cuve pour la nitruration de pièces (certificat d'auteur d'invention URSS N 558967, 1975), comprenant une carcasse à garnissage,- des éléments chauffants et un moufle. Dans le moufle est placé librement , avec un écartement technologique garanti par rapport aux parois et au fond, un solénolde engendrant un champ magnétique. Ce solénolde, disposé dans une carcasse , est constitué d'un enroulement en fil de nickel-chrome à 80% Ni et 20% Cr. Le solénolde est alimenté par l'intermédiaire d'une connexion électrique prévue dans la carcasse du four. On plàce les pièces dans le moufle, on ferme le couvercle de la -carcasse- et on fait passer de l'ammoniac à travers le moufle. L'aliventation:des éléments chauffants et celle du solénoïde s'effectuent séparément, aussi leur fonctionnement e st-il indépendant. Dans les fours ainsi conçus, la commande des paramètres du champ électromagnétique est difficile à réaliser, et le rendement du générateur de champ est bas. Le solénolde est soumis dans ce cas à l'action du milieu saturant et de la température, ce qui limite sa durée de vie. Dans cette solution technique, le solénoïde est plus un élément chauffant supplémentaire qu'un générateur de - champ électroma- magnétique, étant donné qu'il est constitué d'alliage nickelchrome à 80% Ni et 20% Cr. L'énergie appliquée au soléno Ide est pratiquement entièrement transformée en chaleur et non en énergie de champ électromagnétique.Le bas rendement d'un tel générateur de champ -éleotromégnétique est aussi dû aux forte fuites de flux magnétique, ce qui rend instable les paramètres du champ électromagnétique dans le laboratoire du @ moufle. Pour obtenir un champ homogbne, il faut que le rapport du diamètre du solénoïde à sa longueur soit de 1 à 10 respectivement. La géométrie du moufle du four ne permet pas de respecter ce rapport. De la sorte, un four de cette conception requiert de grandes dépensesd"énergie pour créer une intensité de champ non seulement de quelques dizaines de kA/m, mais-même de quelques dizaines d'A/m. Dans ce cas aussi, l'influence du solénoïde sur la précision de maintien de la température prescrite n1 est pas totalement supprimée, ce qui, en conjugaison avec ce qui a été dit plus haut, ne permet pas de modifier d'une manière appropriée les paramètres du traitement et la qualité des couches-nitrurées. On s'est donc proposé de créer un four électrique pour le traitement chimio-thermique > de pièces en métaux et alliages, dans lequel l'introduction d'éléments de construction nouveaux et la position relative des éléments constitutifs du four rendraient possible la commande des paramètres du champ magétique et l'intensification du processus de traitement chimio-thermique, ainsi que l'accroissesent du rendement. La solution à ce problème consiste en un four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages, du type comprenant une carcasse, des éléments chauffants et un moufle, ainsi que des électroaimants disposés entre ladite carcasse et ledit moufle, de façon que leurs pièces polaires soient orientées vers le moufle, ~earactérisé, d'après l'inventionen ce que la carcasse est réalisée sous la forme d'un circuit magnétique fermé, en acier magnétique, et forme un système magnétique avec les pièces polaires des. électroaimants, qui sont alignées suivant deux directions orthogonales et enveloppent le moufle. il est avantageux que ledit système magnétique comprenne des éléments chauffants réalisés sous la forme d'un enroulement bifilaire. L'introduction de ces éléments de construction et leur disposition relative dans le four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages assurent -un aocroissement de l'efficacité du four. Le four électrique faisant l'objet de l'invention assure un accroissement de 2 à 3 fois de la dureté superficielle et de la résistance mécanique des pièces après leur nitruration gazeuse, ainsi qu'un accroissement de leur résistance à la corrosion, de leur induction magnétique et d'autres propriétés, une intensification du processus de nitruration de 1,5 à 2 fois, un abXissement de la puissance absorbée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs , avec référence au dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 représente une vue d'ensemble,avec arrachement partiel, d'un four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages, conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale du four électrique conforme à l'invention. le four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages comprend une carcasse 1, réalisée sous la forme d'un circuit magnétique fermé en acier magnétique, Dans la carcasse 1 est placé coaxialement un moufle 2 en acier magnétique pourvu d'un couvercle amovible 3. A l'intérieur , entre la carcasse 1 et le moufle 2, sont montés des électroaimants constitués par des noyaux 4 et des bobines 5. Les pièces polaires 6 des noyaux 4 des électroaimants sont orientées vers le moufle 2. Les éléments chauffants 7 du four sont réalisés sous la forme d'un enroulement bifilaire et placés sur la surface isolée du moufle 2. Entre les pièces polaires 6 des électroaimants et les éléments chauffants 7 du moufle 2,est interposé une isolation thermique 8. Dans le cuuvercle 3 est incorporé un système d'alimentation en gaz, comprenant une tubulure 9 d'entrée et une tubulure 10 de sortie. Les noyaux 4 des électroaimants sont fixés à la carcasse 1 par des vis Il, et les pièces polaires 6, par des vis 12. Une plaque ou bague porteuse 13 est fixée à la carcasse 1 du four à l'aide de goujons 14. La carcasse 1 est refroidie par l'eau circulant dans des canaux 15. La tension d'alimentation électrique du four pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages est appliquée aux bornes 16. La carcasse 1 repose sur des supports 17. la carcasse 1 (figure 2), réalisée sous-la forme d'un circuit magnétique fermé en acier magnétique, constitue un système magnétique avec les pièces polaires 6 des électroaimants, qui ssnt alignés suivant deux directions orthogonales. Le four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages fonctionne de la façon suivante. On ouvre le couvercle 3 (figure 1j du four, on charge les pièces dans le moufle 2, on ferme le couvercle 3 d'une manière étanche et on admet l'eau dans les canaux 15 du circuit de -refroidissement du four. En mSme temps, on admet de l'ammoniac dans le moufle 2 à travers la tubulure 9. Le gaz usé sort du moufle 2 à travers la tubulure 10. Après avoir établi la circulation de gaz, on met les éléments chauffants 7 sous tension. Quand la température atteint "400 à 45O0C dans le moufle 2, on applique unè tension continue aux bobines 5 des dlectroaimants . Le courant circulant dans les bobines 5 des électroaimants engendre un flux magnétique, qui est concentré dans le moufle 2 par les pièces polaires 6. En fonction des prescriptions relatives aux propriétés que doivent avoir les pièces, on crée dans le moufle 2 un champ magnétique d'intensité appropriée. En outre, en branchant les électrosimants dans un ordre déterminé, on obtient la configuration et la symétrie nécessaires du champ magnétique. Le champ magnétique spécialenent engendré dans le moufle 2 crée la symétrie induite voulue dans le réseau cristallin des pièces traitées. L'intensité du champ magnétique est déterminée par l'intensité du courant circulant dans les bobines 5. Le champ magnétique provoque une scission ou subdivision correspondante des termes d'état énergétique (ou niveaux d'énergie), ce qui fait apparaître des liaisons spécifiques dans les phases de pénétration, en permettant ainsi de modifier -les propriétés physico-mécaniques des pièces, et par conséquent de régler la qualité du traitement. L'action du champ magnétique est ensuite maintenue pendant la saturation et pendant le refroidissement jus- qu'à une température excluant l'oxydation à l'air de la surface des pièces à traiter. De la sorte l'utilisation d'une carcasse 1-ayant la fo: d'un circuit magnétique fermé, réalisé en acier magnétique, permet d'obtenir avec les électroaim-ants placés à l5ntdrleur de la carcasse 1 un circuit magnétique qui enveloppe le moufle 2 (figure 2) contenant les pièces à traiter et concentre le flux magnétique dans toute la zone de travail du four. La disposition relative des électroaimants suivant deux directions orthogonales permet de créer des champs magnétiques dé configurations diverses, ce qui donne la possibilité de faire varier la symétrie de champ du réseau cristallin des métaux et des alliages et de modifier ainsi les conditions dans lesquelles se déroulent les processus de diffusion. L'application du four électrique faisant l'objet de l'invention permet d'optimaliser les régimes de traitement et de conférer aux pièces-traitées la combinaison requise de propriétés physico-mécaniques. L'introduction des éléments consitutifs indiqués et leur disposition. relative accroissent l'efficacité du four électrique de traitement chimio-thermique de pièces. R E V E N D I C A T I O N S 1. Four électrique pour le traitement chimio-thermique de piècés en métaux et alliagesdu type comprenant une carcasse que des éléments chauffants (7) et un moufle (2), ainsi que des électroaimants disposés entre la carcasse (1) et le moufle (2) de manière que leurs pièces polaires (6) soient orientées vers le moufle (2), caractérisé en ce que la carcasse (1) est réalisée sous la -forme d'un circuit magnétique fermé, en acier magnétique, et constitue un système magnétique avec les pièces polaires (6) desdits électroaimants, ceux-ci étant alignés suivant deux directions orthogonales et enveloppant le moufle(2). 2. Four électrique pour le traitement chimio-thermique de pièces en métaux et alliages, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système magnétique comprend des éléments chauffants (7) réalisés sous la forme d'un enroulement bifilaire.