Brevet FR2539762A1 — publié le 19840727

La présente invention est relative à un procédé de trempe de pièces mé- talliques par un traitement thermique comprenant un stade de chauffage, portant la pièce à une température supérieure à la température de trempe, un stade de transfert des éléments, permettant un traitement de diffusion des pièces dans une atmosphère qui cède des éléments, un stade d'abaissement de la tempéra- ture, ramenant les pièces à la température de trempe, et un stade de refroi- dissement, assurant la trempe des pièces. Des procédés de trempe de ce type sont appliqués pour traiter des pièces métalliques qui doivent être trempées en commençant par les chauffer à coeur, ou, lorsqu'elles ont -de grandes dimensions, au moins dans l'épaisseur de leur couche superficielle, de manière à dépasser la température de trempe habi- tuelle et à atteindre une température de diffusion des éléments de l'ordre de 920 'C ou davantage, puis en les maintenant pendant quelque temps à cette tem- pérature de transfert des éléments, pour les soumettre à une cémentation ou à une carbonitruration au moyen d'un gaz qui cède l'élément correspondant, par diffusion, dans la surface de la pièce, après quoi les pièces sont ramenées, par abaissement de la température, et, le cas échéant, avec une diffusion ultérieure, à la température de trempe convenable, et elles sont trempées dans un milieu de trempe Pour obtenir en continu des rendements élevés, on utilise des ins- tallations de fours poussants continus, dans lesquelles les pièces, qui sont en général groupées en charges constituées par un grand nombre de pièces indivi- duelles, passent successivement par les stades de chauffage, de transfert d'éléments et d'abaissement de température, en suivant un trajet continu dans des fours Dans ce procédé, les différentes parties du trajet, correspondant aux différents stades du traitement, ne sont pas sans s'influencer réciproque- ment, de sorte que les changements de température et d'atmosphère, d'un stade ou d'une zone à l'autre, ne peuvent s'effectuer que d'une manière progressive. Dans ces conditions, des variations brusques de température et d'atmosphère, qui accéléreraient la transmission de la chaleur et le transfert des éléments, ne sont pas possibles Elles permettraient cependant de réduire la consomma- tion d'énergie, et d'assurer un traitement contrôlé des pièces Si l'on voulait que les variations en question puissent s'effectuer d'une manière discontinue, par exemple par étapes, il faudrait subdiviser le trajet suivi par les pièces en parties ou zones distinctes, formées de chambres séparées Cependant, l'utilisation de sas et de portes étanches, pour la séparation en zones, en- 2 2539762 traîne des frais considérables, en raison des hautes températures utilisées. De même que dans les installations connues comportant des chambres que l'on utilise pour l'application des procédés périodiques ou intermittents, on a sou- vent affaire, dans le cas du traitement usuel de charges dans une installation de passage continu, à une charge de pièces très compacte, à laquelle la chaleur et le gaz de traitement sont fournis de l'extérieur Le traitement de cette charge présente l'inconvénient que le chauffage des pièces et le transfert des éléments demandent beaucoup plus de temps qu'un traitement individuel des pièces, et que la transmission de la chaleur aux différentes parties de la charge risque de s'effectuer d'une manière irrégulière et de provoquer des déforma- tions des pièces individuelles, ce qui impose ensuite une coûteuse rectification par usinage. Le but de l'invention est de proposer un procédé du type initialement dé- fini qui permette de traiter les pièces individuellement, et présente, par rap- port au traitement par charges, l'avantage d'un chauffage plus rapide et'plus uniforme, d'un transfert rapide des éléments et d'un refroidissement plus ré- gulier et plus rapide, et qui assure cependant, pour le traitement des pièces individuelles, un déroulement continu du procédé, avec un rendement élevé, et surtout avec une consommation d'énergie très réduite. Ce but est atteint, suivant l'invention, par le fait que la pièce est placée dans une enceinte de traitement thermique que l'on peut fermer, de manière qu'elle soit étanche aux gaz, et dans laquelle la pièce se trouve entourée par une couche'intérieure poreuse, constituant un revêtement de l'enceinte, dont les cavités poreuses qui la traversent s'ouvrent vers l'intérieur de l'enceinte, que cette couche de revêtement intérieure est entourée, dans des conditions permettant la transmission de la chaleur, par une couche poreuse extérieure comportant des cavités poreuses communicantes,et séparée, dans des condi- tions assurant l'étanchéité aux gaz, de la couche de revêtement intérieure, qu'au stade du chauffage, une atmosphère cédant de la chaleur est envoyée dans les cavités poreuses des deux couches de revêtement, et, en traversant la couche de revêtement intérieure, pénètre à l'intérieur de l'enceinte de traite- ment thermique, qu'au stade de transfert des éléments, une atmosphère cédant des éléments est envoyée dans la couche de revêtement intérieure, et, en tra- versant cette couche, pénètre et circule à l'intérieur de l'enceinte, la tempé- rature de transfert et de diffusion étant maintenue à l'intérieur de l'enceinte 3 2539762 de traitement thermique du fait que l'atmosphère cédant la chaleur continue à -être envoyée uniquement dans la couche de revêtement extérieure, qu'au stade d'abaissement de la température, l'envoi de chaleur à la couche de revêtement extérieure est interrompu, tandis qu'une atmosphère réfrigérante est envoyée, au travers de la couche de revêtement intérieure, jusqu'à l'intérieur de l'en- ceinte, et que, lorsque la pièce est revenue à la température de trempe, la trempe de la pièce s'effectue au cours du stade de refroidissement. Ce procédé permet, par l'utilisation d'une enceinte individuelle contenant une pièce individuelle, d'assurer un chauffage très rapide de la couche poreuse de revêtement de l'enceinte, constituée par exemple par une matière céramique poreuse, et de la pièce contenue dans l'enceinte L'atmosphère chaude envoyée dans l'intérieur de l'enceinte, au travers de la couche de revêtement intérieure, peut être soumise à une circulation sous pression, de telle manière qu'au sortir des cavités poreuses, elle arrive avec un fort impact sur la pièce, et, de ce fait, assure une transmission de chaleur beaucoup plus importante que celle qui se produirait dans un traitement par charges Bien que les pièces soient trai- tées individuellement, le procédé est continu et donne un rendement élevé, car on peut placer une pluralité d'enceintes individuelles, par exemple, sur un transporteur automatique, de manière que chacune des enceintes, au cours de son déplacement suivant le trajet du circuit, passe dans les positions corres- pondant aux stades de chauffage, de transfert d'éléments et d'abaissement de température, l'enceinte de traitement thermique étant reliée chaque fois, par l'intermédiaire de ses couches de revêtement, à celle des atmosphères cédant de la chaleur ou des éléments, ou réfrigérante, correspondante. Dès que les deux couches de revêtement de l'enceinte de traitement ther- mique ont été chauffées à 700 'C environ, il suffit d'envoyer dans la couche de revêtement extérieure l'atmosphère cédant de la chaleur pour compenser les pertes par les parois, et pour transmettre, par conductibilité calorifique à la couche de revêtement intérieure et par échange de chaleur à l'atmosphère in- troduite au travers de cette couche, la chaleur nécessaire à l'échauffement de la pièce, jusqu'à la température de transfert des éléments, qui est de l'ordre de 9200 C Il est avantageux, au stade du chauffage, d'envoyer dans les couches de revêtement intérieure et extérieure de l'enceinte -de traitement thermique,. comme atmosphère cédant de la chaleur, un mélange hypostoechiométrique d'air et d'un gaz combustible, par exemple de méthane, et d'en provoquer la 4 2539762 combustion dans les cavités poreuses des couches, dans des conditions telles qu'aucune flamme ne sorte, à tout le moins des cavités poreuses de la couche intérieure Lorsque le chauffage a porté les deux couches de revêtement à une température suffisamment élevée, et, au cours du stade suivant, qui est celui du transfert des éléments, il est avantageux d'envoyer, dans la couche de re- vêtement extérieure seulement, un mélange stoechiométrique d'air et de gaz combustible, et de l'y faire brûler dans les cavités poreuses Par l'intermé- diaire de la couche de revêtement extérieure, une atmosphère intérieure, qu'il suffit de faire circuler à travers la couche de revêtement intérieure, est chauf- fée de l'intérieur, c'est-à-dire sans chauffage extérieur supplémentaire, et la chaleur perdue par l'enceinte de traitement thermique est récupérée. Dès que la pièce a atteint la température requise pour le transfert des éléments, l'atmosphère qui circule dans la couche de revêtement intérieure et à l'intérieur de l'enceinte peut être remplacée automatiquement par l'atmos- phère cédant des éléments, qui est indispensable au transfert des éléments, de sorte que le transfert des éléments à la pièce commence immédiatement, sans transition, et peut s'effectuer rapidement L'opération de chauffage et de trans- fert des éléments peut s'effectuer, de préférence, ou d'une manière avanta- geuse, dans le cas de pièces de grandes dimensions, de telle manière que le coeur de la pièce soit porté à la température de trempe, et que la surface de la pièce, dans une couche d'une certain épaisseur, soit portée à la température de transfert et de diffusion des éléments, et soit soumise, à cette température, à une cémentation ou à une carbonitruration, par diffusion à partir du gaz utilisé pour le traitement. Lorsque l'opération de transfert des éléments par diffusion est terminée, et au cours du stade d'abaissement de la température, l'apport d'énergie à la couche de revêtement extérieure de l'enceinte de traitement thermique est in- terrompu, jusqu'à ce que la pièce soit revenue à la température de trempe On peut même, pour passer sans transition, c'est-à-dire d'une manière avanta- geuse, du stade de transfert des éléments au stade d'abaissement de la tempé- rature, envoyer pendant peu de temps une atmosphère intérieure réfrigérée, qui traverse la couche de revêtement intérieure pour pénétrer à l'intérieur de 1 ' enceinte. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est avantageux, au stade du refroidissement, de réaliser la trempe de la pièce dans l'enceinte, 2539762 en envoyant le milieu de trempe dans l'intérieur de l'enceinte en lui faisant traverser une couche de revêtement intérieure poreuse comportant des cavités poreuses qui la traversent et débouchent à l'intérieur de l'enceinte Pour ré- duire encore la consommation d'énergie et contribuer à une utilisation optimale de l'énergie, il est avantageux d'appliquer le procédé qui fait l'objet de l'inven- tion de telle manière que l'enceinte de traitement thermique et la pièce qu'elle contient ne parcourent que les stades de chauffage, de transfert des éléments et d'abaissement de la température, et que, dès que la pièce est revenue à la température de trempe, elle soit extraite de l'enceinte de traitement thermique et placée dans une enceinte de refroidissement conçue spécialement pour le stade derefroidissement plus poussé, cette opération s'effectuant de préférence avec utilisation d'un sas reliant les deux enceintes et comportant une atmos- phère protectrice L'enceinte de traitement thermique peut passer par exemple d'un transporteur continu, transportant cette enceinte suivant un circuit fermé, à un dispositif de sas automatique, dans lequel l'enceinte de traitement ther- mique est vidée, la pièce étant alors placée dans l'enceinte de refroidissement spéciale séparée L'enceinte de traitement thermique vide peut être ensuite renvoyée du dispositif de sas automatique au transporteur en circuit fermé, de manière à pouvoir recevoir une nouvelle pièce et à parcourir de nouveau le cycle des stades successifs, depuis le chauffage jusqu'à l'abaissement de tem- pérature L'utilisation d'une enceinte de refroidissement séparée, au stade du refroidissement, permet également de munir cette enceinte d'un revêtement poreux spécialement conçu et réalisé pour le stade du refroidissement, de ma- nière à pouvoir, d'une manière avantageuse, faire arriver sous pression un milieu de trempe liquide sur la pièce en le faisant passer par des cavités po- reuses orientées perpendiculairement à la surface de la pièce L'envoi de ce milieu de trempe ou de refroidissement liquide sous pression sur la pièce peut s'effectuer avec avantage pendant le refroidissement, de telle manière que les différentes phases du refroidissement (évaporation de la pellicule, phase de cuisson, phase de convection) s'effectuent d'une manière optimale, suivant la nature du milieu de refroidissement On peut utiliser par exemple, pour cela, un réfrigérateur qui fait passer l'enceinte de refroidissement et la pièce qui sortent du sas automatique par les différentes phases de l'opération de re- froidi S sement. Le procédé suivant l'invention permet, par exemple en utilisant un ap- 6 2539762 pareil automatique convenable, d'appliquer à différentes pièces,contenues dans des enceintes individuelles, un traitement thermique particulier convenant à chaque enceinte, notamment aux stades du chauffage et du transfert d'élé- ments, et de réaliser une adaptation optimale du traitement thermique au rythme de passage des pièces et aux nécessités du traitement de surface. Ce nouveau procédé élimine donc l'inconvénient essentiel qui grève les ins- tallations de fours utilisées jusqu'à présent pour les traitements en continu, et qui consiste en ce qu'on n'y peut effectuer qu'un traitement thermique spé- cial, et qu'elles ne peuvent pas traiter des pièces différentes, du fait qu'elles ne comportent pas les pièces convenables et nécessaires pour cela. 7 2539762 REVENDICATIONS 1 Procédé de trempe de pièces métalliques par un traitement thermique c Ompren Ia G 5 î un stade de chauffage, portant la pièce à une température supérieure à; la température de trempe, un stade de transfert des éléments, permettant un traitement de diffusion des pièces dans une atmosphère cédant des éléments, un stade d'abaissement de la température, ramenant les pièces à la tempéra- ture de trempe, et un stade de refroidissement, assurant la trempe des pièces, caractérisé en'ce qu'une pièce est placée dans une enceinte de traitement ther- mique que l'on peut fermer, de manière qu'elle soit étanche aux gaz, et dans laquelle la pièce se trouve entourée par une couche intérieure poreuse, consti- tuant un revêtement de l'enceinte, dont les cavités poreuses communicantes s'ouvrent vers l'intérieur de l'enceinte, en ce que cette couche de revêtement intérieure est entourée, dans des conditions permettant la transmission de la chaleur, par une couche poreuse extérieure comportant des cavités poreuses communicantes, et est séparée, dans des conditions assurant l'étanchéité aux gaz, de la couche de revêtement intérieure, en ce qu'au stade du chauffage, une atmosphère cédant de la chaleur est envoyée dans les cavités poreuses des deux couches de revêtement, et, en traversant la couche de revêtement intérieure, pénètre et circule à l'intérieur de l'enceinte de traitement thermique, en ce qu'au stade du transfert des éléments, une atmosphère cédant des éléments est envoyée dans la couche de revêtement intérieure, et, en traversant cette couche, pénètre et circule à l'intérieur de l'enceinte, la température de transfert et de diffusion étant maintenue, à l'intérieur de l'enceinte de traitement thermique, du fait que l'atmosphère cédant de la chaleur continue à être envoyée unique- ment dans la couche de revêtement extérieure, en ce qu'au stade d'abaissement de la température, l'envoi de chaleur à la couche de revêtement extérieure est interrompu, tandis qu'une atmosphère réfrigérante est envoyée, au travers de la couche de revêtement intérieure, jusque dans l'intérieur de l'enceinte, et en ce que, dès que la pièce est revenue à la température de trempe; la trempe de la pièce s'effectue au cours du stade de refroidissement. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est, au cours du stade de refroidissement, soumise à l'action d'un milieu de trempe qui est également introduit dans une enceinte au travers d'un revêtement de l'enceinte comportant des cavités poreuses communicantes aboutissant à l'in- térieur de l'enceinte. 8 2539762 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte de traitement thermique est déplacée suivant un circuit qui la fait passer par des emplacements dans lesquels elle est soumise successive- ment aux stades de chauffage, de transfert des éléments, et d'abaissement de la température, 1 'enceinte de traitement thermique étant reliée chaque fois, par l'intermédiaire de ses couches de revêtement, à l'atmosphère correspon- dante, cédant de la chaleur ou des éléments, ou assurant la réfrigération. 4 Procédé selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que, après le stade d'abaissement de la température, dès que la pièce est revenue à la température de trempe, elle est extraite de l'enceinte de traitement ther- mique et placée dans une enceinte de refroidissement séparée, pour l'applica- tion du stade de refroidissement, ce transport s'effectuant de préférence avec utilisation d'un sas reliant les deux enceintes et comportant une atmosphère protectrice. 5 Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un milieu de trempe liquide est envoyé sur la pièce en traversant sous pression les cavités poreuses du revêtement de l'enceinte de refroidissement. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'au stade du chauffage, un mélange hypostoechiométrique d'air et de gaz de combustion est envoyé dans les couches de revêtement intérieure et extérieure de l'enceinte de traitement thermique et y est brûlé, dans les cavités poreuses, de telle manière qu'aucune flamme ne sorte, au moins des cavités poreuses de la couche de revêtement intérieure, et en ce qu'au stade de transfert des élé- ments, un mélange stoechiométrique d'air et de gaz combustible est envoyé dans la couche de revêtement extérieure et y est brûlé dans les cavités poreuses.