Brevet FR2544952A1 — publié le 19841026

PROCEDE-DE CHAUFFAGE D'UNE MATIERE A CHAUFFER DANS UN RECIPIENT SOUS VIDE La présente invention concerne un procédé de chauffage d'une matière à chauffer dans un récipient à vide De tels procédés sont par exemple utilisés pour le dégazage, le soudage, le frittage, la trempe, et en liaison avec des procédés de O traitement par enduction ou par ions Dans les fours de traitement thermique sous vide connus, la matière à chauffer est par exemple entou- rée de surfaces chauffantes dont la chaleur est transmi- se à la matière à chauffer par rayonnement ou conduction. une matière à chauffer conductrice de l'électricité peut aussi être chauffée par des courants induits, et il est connu en outre d'utiliser comme source de chaleur une effluve électrique qui, dans le cas de la décharge anomale, recouvre régulièrement toute la surface de la cathode, de sorte que la matière à chauffer branchée comme cathode peut dans une certaine mesure être chauf- fée régulièrement. Il est connu en outre de chauffer la matière à chauffer, par exemple des métaux à fondre, dans le vide par bombardement électronique Mais on doit veiller dans ce cas, par une disposition géométrique particulié- re de la source d'électrons, à avoir la répartition sou- haitée de la température sur la matière à chauffer Le bombardement électronique est normalement utilisé pour la production de points chauds étroitement limités loca- lement avec de grandes différences de température par rapport à l'environnement, ce pour quoi les rayonnements électroniques conviennent particulièrement bien en rai- son de leur focalisation aisée. Le chauffage au moyen d'un arc à basse ten- sion constitue une forme spéciale du chauffage par bom- bardement électronique; dans le cadre de cette descrip- tion, on entend par arc à basse tension une décharge gazeuse qui brûle entre une cathode chaude, émettant des électrons par thermo-émission, d'une part, et une anode, d'autre part (il est indifférent à cet égard que la cathode soit maintenue à la température d'émission par la seule décharge dans le-gaz, ou qu'elle soit sou- mise à un chauffage supplémentaire) Le plus souvent, on fait entrer à proximité de la cathode un gaz rare, par exemple dans l'espace vide d'une cathode creuse ou dans une chambre de cathode incandescente spéciale, qui est reliée au récipient à vide par une ouverture Habi- tuellement, on focalise le plasma venant de la cathode creuse o de la chambre à cathode incandescente et en- trant par l'ouverture dans le récipient au moyen d'un champ magnétique Les électrons se déplacent dans ce cas sur des trajectoires hêlicoidales étroites dont les lignes médianes correspondent dans une large mesure aux lignes de champ du champ magnétique Des dispositifs de ce type sont connus par exemple par le brevet CH 631 743 ainsi que par les brevets US 3 210 454, 4 197 175 et 3.562 141 Ces brevets décrivent le chauffage d'une ma- tière à fondre qui est branchée comme anode, au moyen d'un arc à basse tension focalisé magnétiquement, qui est dirigé (pointé) sur la matière à fondre L'arc à basse tension est-donc dans ce cas également utilisé pour la production de points chauds localement limités avec de grandes différences de température par rapport à l'environnement. Il a également déjà été-proposé de ne pas viser directement la matière à chauffer avec le fais- ceau de plasma, mais d'envoyer sur la matière à chauffer les lignes de champ magnétique suivant lesquelles le plasma peut se propager préférentiellement, grâce à quoi on obtient un chauffage presque régulier de la surface de la matière à chauffer. Mais on constate que dans de nombreux cas, la densité de puissance sur la matière à chauffer (en watt par cm 2) n'est plus suffisantec'est-à-dire qu'on n'obtient souvent la température désirée pour une pièce qu'au bout de plusieurs heures, ce qui, dans le cas d'installations de production onéreuses (comme les installations de mé- tallisation sous vide) est d'une grande importance éco- nomique On sait que l'on ne peut pas augmenter à volon- té la puissance débitée à l'anode d'une décharge d'arc à basse tension En raison d'unelongue tradition, mais aussi pour des questions de coût, on a jusqu'à présent utilisé exclusivement l'argon comme atmosphère gazeuse résiduelle neutre, et l'expérience montre que l'intensi- té de courant d'une telle décharge d'arc à basse tension dans l'argon ne peut pas être élevée au-dessus d'une certaine limite, qui diffère un peu, il est vrai,:suivant le système d'électrodes, pour augmenter la puissance On constate notamment que la décharge a alors tendance à de- venir instable, c'est-à-dire à produire principalement des oscillations à haute fréquence dans un large domaine de fréquence, ce qui est inadmissible ou exigerait des mesures de blindage très onéreuses. La présente invention se propose d'indiquer un procédé de chauffage sous vide de la matière à chauf- fer au moyen d'un arc à basse tension, avec lequel on peut obtenir sur la surface de la matière à chauffer une densité de puissance beaucoup plus élevée, et par consé- quent un chauffage beaucoup plus rapide-que jusqu'à pré- sent, sans que cette puissance doive rester limitée à un foyer de diamètre relativement faible Ce procédé con- forme à l'invention pour le chauffage de la matière à chauffer dans un récipient à vide par bombardement de la matière à chauffer avec des électrons provenant d'une décharge d'arc a basse tension maintenue magnétiquement dans une atmosphère de gaz résiduel entre une anode dis- posée dans le récipient et une cathode chaude se trou- vant dans une chambre cathodique qui est reliée à un récipient par une ouverture, est caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse résiduelle se compose essentielle- ment d'hélium et/ou de néon. Pour un chauffage aussi régulier que possible de la matière à chauffer, il est recommandé de maintenir pendant le chauffage un champ magnétique tel que les li- gnes de champ magnétique qui pénètrent à travers l'ou- verture entre la chambre cathodique et le récipient, ne traversent pas la matière à chauffer et de préférence ne traversent pas non plus l'anode; il est particulière- ment avantageux de brancher la matière à chauffer elle- même comme anode de la décharge par arc à basse-tension. On a constaté également qu'il est possible et commode d'ajuster la tension de décharge à la valeur désirée à l'aide de l'intensité du champ magnétique (induction B). Cette tension est d'autant plus élevée que l'induction magnétique B dans le domaine-de la décharge par arc est élevée L'utilisation d'un champ magnétique présente en même temps l'avantage que la décharge brûle de manière stable jusqu'à des tensions plus élevées, et ceci d'au- tant plus que B est plus élevé. Le choix entre l'hélium et le néon comme atmosphère de gaz résiduel dépend de l'action de pulvé- risation plus ou moins élevée que l'on souhaite ou dont on s'accommode (l'effet de pulvérisation se produit sur les éléments ou pièces présents dans le récipient qui présentent par rapport à l'anode un potentiel négatif). En raison de son poids atomique plus faible,l'hélium donne lieu à un effet de pulvérisation plus faible que le néon Il peut parfois être avantageux d'utiliser un mélange de He et Ne comme atmosphère de gaz résiduel pour ajuster adéquatement l'effet de pulvérisation (par exemple pour un nettoyage simultané de surfaces qui doi- vent ensuite être métallisées par "décapage ionique"). Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. La figure 1 annexée représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention avec un faisceau de plasma s'écoulant dans l'axe d'un réci- pient cylindrique La matière à chauffer est disposée autour du faisceau de plasma s'écoulant dans l'axe, un champ magnétique axial ayant pour effet que les élec- trons se meuvent aisément dans la direction axiale, mais ne peuvent atteindre la matière à chauffer,branchée com- me anode,que par dispersion. Cette anisotropie, en ce qui concerne la li- berté de mouvement des électrons,entraine une réparti- tion régulière de la densité de courant dans la direc- tion axiale, et par conséquent une action de chauffage régulière sur la matière à chauffer disposée autour de l'axe. Dans ce mode de réalisation préféré du dispo- sitif, dans lequel le dispositif de fixation de la ma- tière à chauffer entoure l'axe du faisceau de plasma comme une enveloppe dans la chambre de chauffage, et dans lequel une bobine d'électro-aimant coaxiale est prévue pour la production d'un champ magnétique concen- trant le plasma, les lignes de champ magnétique, qui sont toujours fermées sur elles-mêmes, entourent donc la matière à chauffer dans la mesure o elles pénètrent par l'ouverture reliant entre elles la chambre de chauf- fage et la chambre cathodique, sans la couper, et frap- pent au-dehors de la matière à chauffer Le fait que dans ce cas les électrons doivent d'abord être déviés latéralement du plasma concentré par le champ magnétique avant de pouvoir atteindre les surfaces à chauffer,fait qu'en raison de leur grande mobilité le long des lignes de champ magnétique, mais de leur faible mobilité dans le sens perpendiculaire, ils se répartissent sur la ma- tière à chauffer sur une grande surface, grâce à quoi on peut, si on le désire, obtenir un chauffage beaucoup plus régulier qu'avec un faisceau de plasma concentré magnétiquement qui est envoyé directement sur la matière à chauffer. Dans la figure 1, 1 désigne un récipient à vide en forme de cloche, dans lequel la matière à chauf- fer 3 est portée par un dispositif de fixation 2 Le dispositif de fixation 2 est fixé à la plaque de base 5 du récipient au moyen d'une isolation électrique 4 et est relié électriquement au pôle positif d'un appareil d'alimentation 7 par un passage de courant 6 étanche au vide Une chambre 8 à cathode incandescente est pré- vue à la partie supérieure du récipient et elle est re- liée par une ouverture 9 à l'espace interne du récipient 1 Dans cette chambre à cathode incandescente est logée, portée par une plaque isolante 11, la cathode incandes- cente 12, qui peut être un fil chauffé par le passage d'un courant; mais elle peut aussi revêtir la forme d'une cathode creuse chauffée ou autochauffante Une soupape de régulation 13 sert à l'introduction de gaz dans la chambre à cathode incandescente La bobine d'électro- aimant 14 produit un champ magnétique coaxial au réci- pient 1 Avant d'effectuer une opération de chauffage, on fait le vide dans le récipient et dans la chambre à cathode incandescente reliée à celui-ci, à l'aide d'une pompe à vide poussé, par les tubulures de pompe 15, jus- qu'à ce qu'on ait atteint une pression inférieure à 0,01 Pa environ La pompe fonctionnant, on fait alors entrer par la soupape 13 une quantité d'hélium ou de néon ou d'un mélange de ces gaz tel qu'il s'établisse dans le réci- pient une pression entre 0,1 Pa et 1 Pa On chauffe alors la cathode à incandescence 12 et on branche l'appa- reil d'alimentation 7 Ce dernier produit une tension électrique de 100 volts par exemple (pour tirer un arc à basse tension, il est avantageux de mettre un bref mo- ment la paroi isolée avec l'ouverture 9 au potentiel anodique ou de la relier de manière permanente au pôle plus de l'appareil d'alimentation 7 par une résistance ohmique de façon que l'allumage-s'effectue spontanément). Les électrons entrant par l'ouverture 9 dans le récipient 1 suivent pour une intensité de champ suffisante (par exemple 0,01 Tesla) les lignes de champ sur des trajec- toires hélicoïdales avec de très faibles rayons, de sorte que le long de l'axe central, il se forme une colonne de plasma dont le diamètre est déterminé par le diamètre de l'ouverture 9 Avec un courant d'arc de 100 A et une ten- sion d'arc de 70 V, une puissance de chauffage d'environ 4,2 k W (rendement énergétique: 60 %) peut par exemple être cédée au support 2 ou à la matière à chauffer 3. La bobine 14 dans l'exemple de la figure 1 produit essentiellement un champ magnétique parallèle à l'axe vertical du récipient, et on voit que les lignes de champ magnétique passant à proximité de l'axe, longi- tudinalement, à travers le faisceau de plasma ne coupent pas la matière à chauffer Dans l'espace entre le fais- ceau de plasma et les surfaces à chauffer, il règne éga- lement un champ magnétique pratiquement parallèle à l'axe, lequel a pour effet, comme il a été indiqué, que les électrons se répartissent assez régulièrement dans la di- rection de l'axe, avant de frapper les surfaces à chauf- fer. Avec le dispositif conforme à la figure 1, on a pu obtenir, dans le cas d'une charge d'outils (méches hélicoïdales en acier) un chauffage à une température moyenne de 3500 C en 12 minutes, une différence de tempé- rature de 250 C seulement s'établissant entre les points les plus chauds et les plus froids de la charge; ceci bien que les outils à chauffer aient été disposés sans aucun écran anti-rayonnement contre les parois du réci- pient maintenues à la température ambiante Une telle rapidité et une telle régularité du chauffage n'ont pu être obtenues avec d'autres procédés de chauffage que moyennant une dépense beaucoup plus importante Le pro- grés qui est déjà obtenu par l'utilisation d'hélium au lieu d'argon comme atmosphère résiduelle ressort de l'examen du tableau ci-après, dans lequel sont indiqués pour l'installation décrite, les temps nécessaires dans le cas d'un courant d'arc de 180 Ampères pour le chauffa- ge de la même charge de matière à chauffer à la tempéra- ture indiquée pour l'argon et pour l'hélium: On constate aussi qu'avec l'hélium comme atmosphère gazeuse résiduelle, on obtient un raccourcis- sement important du temps de chauffage, qui est déjà ré- duit à 1/4 pour les températures inférieures à 300 t en- viron Un raccourcissement également important du temps de chauffage est également obtenu avecle néon. Temps de chauffage en minutes avec Température Argon Hélium 17,0 4,9 250 25,5 6,9 300 36,8 9,3 350 54,0 12,0 400 110,0 15,6 Dans le cas du procédé de chauffage conforme à l'invention, si l'on désire égaliser complètement les différences de température de la matière à chauffer qui subsistent éventuellement, on peut en outre mouvoir cette matière à chauffer, par exemple faire tourner autour de son axe vertical le dispositif de fixation 2. Par matière à chauffer au sens de la descrip- tion qui précède, on entend non seulement des objets, mais encore des matériaux, par exemple sous forme de pou- dres. Le procédé de l'invention est souvent tout particulièrement avantageux parce que les dispositifs qu'il nécessite peuvent aussi être utilisés pour d'au- tres étapes du procédé, par exemple pour le bombardement de la matière à chauffer avec des ions positifs prove- nant de la décharge d'arc à basse tension. REVENDICATIONS 1 Procédé de chauffage d'une matière à chauf- fer dans un récipient sous vide par bombardement de la matière à chauffer avec des électrons provenant d'une décharge d'arc à basse tension focalisée magnétiquement, maintenue dans une atmosphère de gaz résiduel entre une anode disposée dans le récipient et une cathode chaude se trouvant dans une chambre cathodique, qui est reliée au récipient par une ouverture, caractérisé en ce que l'atmosphère de gaz résiduel se compose essentiellement d'hélium et/ou de néon. 2 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on maintient pendant le chauffage,un champ magnétique tel que les lignes de champ magnétique qui pénètrent par cette ouverture,entre chambre cathodi- que et récipient, ne traversent pas la matière à chauf- fer. 3 Procédé suivant la revendication 1,-carac- térisé en ce qu'on maintient un champ magnétique dans lequel les lignes de champ magnétique qui pénètrent dans cette ouverture, ne traversent pas l'anode de la déchar- ge d'arc à basse tension. 4 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la matière à chauffer elle-même est branchée comme anode de la décharge-d'arc à basse ten- sion. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on maintient dans la région des surfaces à chauffer de la matière à chauffer un champ magnétique parallèle à celles-ci. 6 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la matière à chauffer est disposée en forme d'enveloppe autour du faisceau de plasma.