Brevet FR2559951A1 — publié le 19850823

L'invention concerne le réglage de la densité d'un courant électrique sur une pièce, lorsque le courant circule entre la pièce, constituant une électrode d'une première polarité, et une autre électrode de polarité opposée. Dans plusieurs traitements ioniques industriels (parfois appelés traitements par plasma) tels que la pulvé- risation ionique, la cémentation par plasma au la nitrura- tion par plasma, la densité du courant électrique à la surface de la pièce affecte les caractéristiques de surface résultantes de la pièce. Alors qu'il est généralement très aisé de déterminer et de régler l'amplitude du courant total traversant la pièce, il n'est souvent pas aussi aisé de déterminer la valeur à laquelle ce courant donne la densité de courant demandée. Il en est notamment ainsi lorsque le procédé est mis en oeuvre sur un lot de pièces, des lots successifs comprenant des nombres de pièces diffé- rents, ou lorsque le procédé est exécuté sur des pièces successives de dimensions différentes ou de formes irrégu- lières. La détermination de l'aire de- la surface de la pièce, pour qu'il soit possible de calculer le courant approprié pour l'obtention d'une densité de courant demandée, est longue et souvent imprécise. L'invention a pour objet d'atténuer ces difficultés. Conformément à un aspect de l'invention, il est prévu un dispositif de réglage de densité de courant, destiné à régler la densité d'un courant électrique à la surface d'une pièce pendant un traitement ionique gazeux de la surface de la pièce, le dispositif comprenant une chambre dans laquelle la pièce est placée et connectée en tant que première électrode d'une première polarité, une seconde électrode travaillant à l'intérieur de la chambre et connectée à la polarité opposée, des moyens d'alimentation en gaz établissant à l'intérieur de la chambre une atmosphère gazeuse de composition, température et pression demandées, une troisième électrode d'aire connue, placée à l'intérieur de la chambre et connectée à la même polarité et au même potentiel que la pièce, et des moyens de mesure de courant connectés de façon à mesurer le courant traversant la troisième électrode et à indiquer et/ou régler ainsi la densité commune de courant à la surface de la troisième électrode et de la pièce. Il semble que l'utilisation de la troisième électrode soit particulièrement avantageuse, lorsque cette électrode est utilisée en tant que cathode, car le poten- tiel l'entourant est analogue au champ de potentiel complexe proche de la pièce, o le courant est limité par la charge d'espace. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limita- tif et sur lequel: la figure 1 est un schéma du circuit électrique du dispositif selon l'invention; la figure 2 est un schéma d'une forme de réali- sation plus complexe du dispositif montré sur la figure 1; et la figure 3 est une coupe longitudinale d'une partie du dispositif montré sur les figures 1 et 2. Sur le dessin, un four à vide 10, de section cylindrique et de type bien connu, est disposé de façon que son axe soit horizontal. Le garnissage du four est conducteur du courant électrique et est connecté par un fil conducteur 11 à une source 12 d'alimentation en énergie. Une table 13 porte-pièce, disposée à l'inté- rieur du four 10 et isolée électriquement de ce dernier, est montée sur un-pied 14 de support, électriquement con- ducteur, connecté par un fil conducteur 15 et par l'inter- médiaire d'un premier ampèremètre 16 à la source 12 d'ali- mentation. Cette dernière fournit du courant continu (qui peut être constant ou pulsé) et la polarité est telle que le garnissage du four à vide 10 constitue l'anode et la table porte-pièce 13 la cathode. Une cathode auxiliaire 17, sous la forme d'une plaque plate, est montée à l'intérieur du four 10 au moyen d'une tige 18 de support, conductrice du courant électrique, isolée du four 10 et connectée par un conducteur 19 et par l'intermédiaire d'un second ampèremètre 20 au pied 14 de support. Ainsi, la table 13 et la cathode auxiliaire 17 sont toujours à la même tension. La position de la cathode auxiliaire 17 par rapport à la table 13 et toute pièce qu'elle porte doit être telle que la densité du courant à la surface de la cathode auxiliaire 17 soit sensiblement la même que celle présente à la surface de la table 13 et de la pièce qu'elle porte. Le procédé peut être de type discontinu ou par lots, en utilisant seulement une chambre à vide, ou semi-continu, avec des chambres supplémentaires d'entrée et de sortie. L'appareil décrit ci-dessus a été mis en oeuvre dans deux expériences: EXPERIENCE 1 - Aucune pièoe n'étant placée sur la table 13, l'aire totale de la surface de cathode est de 330 cm2 (table 13=230 cm2 + cathode auxiliaire 17=100 cm2); le four 10 est rempli d'hydrogène sous une pression de 265 Pa et il est chauffé à environ 900 C. Lorsque cette température est atteinte, la pression est élevée à 1325 Pa avec un gaz comprenant 5 % de méthane et le reste constitué d'hydrogène. Des expériences précédentes ont montré que la densité du courant doit dépasser 1,0 mA/cm2 dans ces conditions pour la décharge d'effluves, ceci étant essentiel à un traitement ionique satisfaisant. Le courant total A passant dans le premier ampèremètre 16 est réglé de façon que l'on obtienne une certaine plage de densités de courant et le courant correspondant A2 de la cathode auxiliaire est mesuré sur le second ampèremètre 20. Les résultats sont donnés dans le tableau ci-dessous. : 4 Aire totale Courant Courant A2 Densité de Densité de des sur- total A de la courant courant faces de (A) cathode calculée mesurée cathode auxiliaire (mA/cm2) (mA/cm2) (cm2) (mA) 330 0,66 200 2,0 2,0 0,99 300 3,0 3,0 1,32 400 4,0 4,0 EXPERIENCE 2 On répète le procédé ci-dessus mais, dans ce cas, une pièce ayant une aire de surface de 240 cm2 est placée sur la table 13, ce qui donne une aire totale utile des surfaces de cathode de 570 cm2 (table 13=230 cm2 + cathode auxiliaire 17=100 cm2 + pièce=240 cm2). Les résultats sont indiqués dans le tableau ci-dessous: Aire totale Courant Courant A2 Densité de Densité de des sur- total A de la courant courant faces de (A) cathode calculée mesurée cathode auxiliaire (mA/cm2) (mA/cm2) (cm2) (mA) 570 0,68 100 1,2 1,0 1,12 200 2,0 2,0 La source 12 d'alimentation en énergie a débité dans ces expériences un courant maximal de 1,12 ampère. On voit que la densité du courant sur la pièce peut être aisément déterminée et donc réglée à une valeur demandée, par mesure de la densité du courant sur la cathode auxi- liaire 17. Cette technique évite d'avoir à calculer l'aire de la surface de la pièce. Bien que l'expérience ait été décrite en réfé- rence à une cémentation par plasma, elle peut porter sur d'autres procédés de traitement ioniques de la surface d'une pièce, par exemple. une nitruration par plasma, par l'utilisation d'un mélange gazeux approprié dans le four 10. De façon similaire, en inversant la polarité de la source 12 d'alimentation en énergie, on peut utiliser la pièce comme anode lorsqu'un tel agencement est néces- saire. Sur la figure 2, le garnissage du four 10 n'est pas utilisé comme anode, mais il est prévu une anode séparée 21 montée sur une tige 22 de support qui peut être réglée axialement à l'intérieur du four 10. La cathode auxiliaire 17 et sa tige 18 de support sont montées à proximité immédiate de la position prévue pour les pièces sur la table 13. Les agencements des anodes et des cathodes à l'intérieur du four de la figure 2 s'appliquent également à la forme de réalisation de la figure 1, et vice versa. La figure 1 représente un agencement dans lequel on peut obtenir une densité de courant sensiblement constante sur la surface de la pièce, quels que soient le nombre et la dimension des pièces, par réglage manuel de la tension appliquée par la source 12 d'alimentation en énergie entre l'anode 10 et la cathode 13, jusqu'à ce que la densité de courant demandée soit indiquée sur le second ampèremètre 20. La figure 2 représente un circuit qui permet d'obtenir automatiquement la densité de courant constante demandée. A la place des ampèremètres 16 et 20 de la figure 1, il est prévu des contrôleurs de courant correspon- dants 116 et 120 qui indiquent les courants les traversant et qui, en outre, transmettent à une unité 29 de régulation des tensions proportionnelles aux courants, par l'intermé- diaire de conducteurs 23 et 24 et d'amplificateurs tampons , 26 connectés par des fils conducteurs 27 et 28 à l'unité 29. Dans cette dernière, les tensions présentes sur les fils 27 et 28 sont comparées à une tension de référence réglable manuellement et l'unité 29 de régulation émet sur un fil conducteur 30 une tension de commande qui règle la source 12 d'alimentation en énergie jusqu'à ce que la tension qu'elle produit établisse la densité de courant demandée sur la cathode auxiliaire 17. Dans certaines applications, le contrôleur 116 de courant et l'amplificateur tampon 25 et les fils conducteurs 23, 27, qui lui sont associés, peuvent être supprimés. Dans ce cas, la tension provenant du fil 28 est simplement comparée à la tension de référence réglable manuellement à l'intérieur de l'unité 29 de régulation qui transmet à la source 12 d'alimentation en énergie la tension de commande demandée, par l'intermédiaire du fil 30. La figure 3 illustre un procédé de montage de la cathode auxiliaire 17 sur la paroi du four 10. La cathode auxiliaire 17 se présente sous la forme d'une plaque épaisse, par exemple, un disque dont l'épaisseur est supérieure au cinquième de son diamètre, afin que le champ entourant la plaque soit analogue à celui d'une pièce typique. La cathode 17 est montée de façon amovible sur l'extrémité de la tige 18 de support. Cette dernière est ajustée étroitement dans des manchons électriquement isolants 31, 32 logés dans un bouchon conique fileté 33. Le bouchon 33 est vissé dans un trou conique taraudé corres- pondant ménagé dans la paroi du four 10 afin qu'il puisse être retiré et remis en place aisément. Un joint torique 34 assure l'étanchéité au vide entre la tige 18 de support et le bouchon 33. Un connecteur électrique 35 est fixé sur l'ex- trémité extérieure de la tige 18 de support qui est isolée de la décharge d'effluves sous plasma se produisant à l'intérieur du four 10 par un manchon isolant protecteur 36. L'appareillage assurant la fourniture des différents gaz, mentionnés ci-dessus, et les maintenant à la pression demandée, est bien connu et il n'est pas nécessaire de le décrire plus en détail. De façon similaire, des résistances électriques chauffantes sont prévues à l'intérieur du four et sont parcourues par un courant de façon à chauffer le contenu du four, comme demandé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réglage de densité de courant, destiné à régler la densité d'un courant électrique à la surface d'une pièce lors d'un traitement ionique gazeux de la surface de la pièce, le dispositif comprenant une chambre (10) dans laquelle la pièce est placée et est connectée en tant que première électrode d'une première polarité, une deuxième électrode agissant à l'intérieur de la chambre et connectée à la polarité opposée, des moyens d'alimentation en gaz destinés à établir à l'inté- rieur de la chambre une atmosphère gazeuse de composition, température et pression demandées, le dispositif étant caractérisé par une troisième électrode (17) d'aire connue, disposée à l'intérieur de la chambre (10) et connectée à la même polarité et au même potentiel que la pièce, et des moyens (20) de mesure de courant connectés de façon à mesurer le courant passant à travers la troisième élec- trode et à indiquer et/ou régler ainsi la densité de cou- rant commune à la surface de la troisième électrode et de la pièce. 2. Dispositif selon la revendication 1,- carac- térisé en ce que la troisième électrode est connectée en tant que cathode. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la troisième électrode (17) se présente sous la forme d'une plaque épaisse. 4. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la troisième électrode est un disque. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que l'épaisseur de la troisième électrode est supérieure au cinquième de son diamètre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la troisième électrode (17) est monté sur un support (18) qui est recou- vert, à l'intérieur de la chambre (10), d'une couche (36) de matière électriquement isolante. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le garnissage de la chambre est utilisé comme deuxième électrode. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que la position de la deuxième électrode (21) peut être réglée afin que cette électrode puisse être rapprochée et éloignée de la pièce. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par un élément permet- tant d'ajuster manuellement la différence de potentiel entre les première et deuxième électrodes afin qu'un opéra- teur puisse régler ladite différence de potentiel jusqu'à ce que le courant traversant la troisième électrode soit d'une valeur prédéterminée. : 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par un élément (12) de réglage de différence de potentiel monté de façon à régler la différence de potentiel entre les première et deuxième électrodes, des moyens (120, 26, 29) qui réagis- sent au courant passant dans la troisième électrode, ces moyens étant montés de façon à agir sur l'élément de réglage de la différence de potentiel afin de maintenir une densité de courant sensiblement constante sur la pièce et la troisième électrode. 11. Four à vide de traitement ionique, compre- nant une chambre dans laquelle une pièce est placée et est connectée en tant que première électrode d'une première polarité, une deuxième électrode agissant à l'intérieur de la chambre et connectée à la polarité opposée, des moyens d'alimentation en gaz destinés à établir à l'inté- rieur de la chambre une atmosphère gazeuse de composition, température et pression demandées, caractérisé par une troisième électrode (17) d'aire connue, disposée à l'inté- rieur de la chambre (10) et connectée à la même polarité et au même potentiel que la pièce, cette troisième élec- trode étant placée à proximité immédiate de la pièce, des moyens (20, 120) de mesure de courant étant connectés de façon à mesurer le courant passant dans la troisième électrode et à établir ainsi une mesure et un réglage de la densité de courant commune à la surface de la troi- sième électrode et de la pièce.