Brevet FR2669040A1 — publié le 19920515

PROCEDE ET MOULE POUR LE RECUIT DE PIECES METALLIQUES La présente invention concerne un procédé et un moule pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques telles que des tubes, par exemple en acier, et notamment des tubes destinés à l'industrie nucléaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels moules. Elle s'applique plus particulièrement aux tubes cintrés ou multiformés. Le forgeage à chaud des tubes en acier dans une filière, puis leur conformation, par exemple par cintrage en vue de la réalisation d'échangeurs thermiques, font subir à ces matériaux des contraintes mécaniques et thermiques qui affectent leur structure métallographique et diminuent leurs performances.Afin d'éliminer les effets de ces contraintes, il est connu de procéder à un recuit ou à une hypertrempe ; pour les nuances d'acier inoxydable pour lesquelles il n'existe pas de point de transformation, le recuit consiste en une élévation rapide de la température dépendant de la teneur en carbone ; pour les autres nuances d'acier et certains alliages métalliques, le recuit consiste, soit en un chauffage audessus du point de transformation de l'acier suivi d'un refroidissement très lent, soit en un chauffage un peu en dessous du point de transformation, avec un maintien très prolongé à cette température, suivi d'un refroidissement qui peut être assez rapide, à l'air, par exemple. Or, l'élévation de température nécessaire au recuit rend très réactive la surface des tubes et on a imaginé, dans l'art antérieur, d'entourer cette surface d'une protection gazeuse, neutre ou légèrement réductrice, qui est confinée par le moyen d'une gaine extérieure aux tubes. Cette protection gazeuse est destinée à empêcher toute oxydation superficielle, toute adsorption d'éléments gazeux oxydants, ainsi que toute réaction avec des éléments résiduels tels que graisses, solvants ou lubrifiants des matrices de conformation ; en effet, ces diverses phénomènes sont générateurs de colorations, témoins visuels de corrosions superficielles qui constituent des amorces de rupture potentielles des tubes. Ceci est particulièrement grave pour la sûreté de certaines fabrications, telle que les échangeurs destinés aux centrales thermiques, classiques ou nucléaires. Le procédé de recuit sous protection gazeuse n'est cependant applicable d'une manière correcte et économique qu'aux seuls tubes droits. En effet, les gaines extérieures employées pour confiner les gaz de protection au voisinage de la surface des tubes pendant la phase de recuit ou d'hypertrempe, du fait qu'elles subissent, elles-aussi, une forte élévation de température, doivent être fabriquées à partir de nuances d'acier coûteuses à base, par exemple, d'alliages de nickel réfractaires ; par conséquent, ces gaines extérieures sont parfaitement rigides, et, comme il est impossible d'emmancher un tube cintré ou multiformé rigide dans une gaine coudée ou multiformée elle-même rigide, de telles gaines ne conviennent qu'au recuit des tubes droits.Pour remédier à cet inconvénient, on a bien sûr envisagé l'utilisation de systèmes par demi-coquilles coudées, ajustables l'une sur l'autre pour former un même manchon autour d'un tube cintré, mais il existe alors un problème d'étanchéité aux gaz au niveau des joints, surtout aux températures élevées nécessaires au recuit. Même dans le cas où cela est réalisable, on ne peut pas contrôler que la répartition du flux de protection gazeux se fasse d'une manière homogène et totale sur toute la surface du tube, ce qui est un inconvénient majeur. Un autre inconvénient des techniques de recuit ou d'hypertrempe connues résulte de phénomènes de dilatation thermique qui sont inévitables ; en effet, le tube traité se déforme sous l'effet de l'élévation de la température, mais, comme la gaine extérieure dans laquelle ce tube est placé sous protection gazeuse est rigide, et ne se déforme donc pas en même temps que lui, il existe un risque que le tube traité vienne au contact de ladite gaine et soit pollué par diffusion métallique. A cet égard, pour les très grands tubes, les tolérances de fabrication conduisent à des différences de cintrage allant jusqu'à 5 millimètres, ce qui rend très difficile d'adapter un manchon rigide unique autour de tubes d'une même série. La présente invention vise à remédier à tous ces inconvénients en proposant un procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques, par lequel on dispose une pièce à recuire dans un manchon de manière à ménager un espace entre la surface externe de ladite pièce et la surface interne dudit manchon, procédé caractérisé en ce qu'on remplit l'espace ainsi ménagé au moyen d'une poudre céramique que l'on compacte jusqu'à isoler la surface externe de ladite pièce de toute atteinte gazeuse corrosive. Ce procédé s'applique plus particulièrement au recuit ou à l'hypertrempe de tubes métalliques, par exemple en acier, et notamment de tubes cintrés ou multiformés. La poudre de céramique compactée autour du tube à recuire le protège ainsi des oxydations de surface. En outre, sa tenue en température est parfaite, et elle ne dégaze pas pour autant qu'elle soit suffisamment compactée. La différence entre le diamètre interne du manchon et le diamètre externe du tube à recuire permet à ce dernier de se dilater sans contrainte lorsqu'il est porté à la température du recuit. Le procédé est ainsi facilement adaptable même aux tubes les plus grands pour lesquels il reste, d'ailleurs, peu onéreux. Par ailleurs, la poudre de céramique n'adhère pas au tube, ce qui permet d'obtenir un tube recuit très propre. En outre, les divers produits chimiques (solvants, etc...) ayant servis à nettoyer le tube avant son recuit, et qui pourraient avoir été adsorbés à sa surface en raison, notamment, d'un rinçage incomplet, ont peu de chance de réagir, même sous forme gazeuse, avec la poudre de céramique qui est parfaitement inerte chimiquement. Eventuellement, on peut envisager que les produits adsorbés soient pompés par la poudre de céramique et/ou réagissent avec un adjuvant approprié. A cet égard, on utilisera préférentiellement de la poudre d'alumine, qui est très sèche, et donc peu chargée en oxygène réactif avec les aciers. Un autre avantage à l'emploi de la poudre d'alumine est son faible coût, et sa disponibilité sous des granulométries très variables, allant jusqu'à une poudre pulvérulente particulièrement adaptée à l'usage qui est requis par le procédé de la présente invention, cette poudre pulvérulente se compactant alors facilement et naturellement. On peut également utiliser de la poudre de zircone, plus chère, mais dont le point de fusion est plus élevé que celui de la poudre d'alumine. Des matériaux apparentés aux céramiques peuvent enfin être employées, principalement des silicates du type de la vermiculite, voire du talc ; ces composés sont cependant plus limités en température et ne peuvent pas être compactés autant que les poudres d'alumine ou de zircone. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un moule à deux demi-matrices nécessaire à la mise en oeuvre du procédé de recuit ou d'hypertrempe qui vient d'être décrit, ledit moule constituant alors un manchon pouvant s'ouvrir pour faciliter l'introduction du tube à recuire à l'intérieur du manchon. Le procédé de fabrication d'un moule comporte les phases suivantes a) On imprègne deux nappes d'un tissu en céramique d'une résine céramique polymérisable préalablement mélangée à un durcisseur, cette résine étant choisie pour supporter des températures élevées. b) On se sert de ces deux nappes de tissu imprégnées, et non encore durcies, pour faire l'empreinte d'un tube de conformation, droit ou cintré, de diamètre légèrement supérieur à celui du tube à recuire, ces deux nappes étant plaquées l'une contre l'autre autour dudit tube de conformation à la manière d'un "plâtre". c) Après durcissage de la résine imprégnée dans les deux nappes, on dégage le tube de conformation pour obtenir un moule à deux demi-matrices portant chacune en creux l'empreinte respective de l'une des deux demi-faces externes dudit tube de conformation. Un moule réalisé de cette manière résiste aux hautes températures, est peu coûteux et facilement réalisable sur des tubes droits, cintrés ou multiformés de toute dimension. A titre général, on notera d'ailleurs que l'invention n'est pas limitée au recuit ou à l'hypertrempe de tubes à section droite circulaire, mais concerne tous les tubes cylindriques (à section droite carrée, ovale, etc...). De même, il est évident que le manchon peut ne pas être homothétique du tube à recuire, et présenter toute forme adéquate pour contenir le tube et la poudre céramique le protégeant lors du recuit, à savoir par exemple un manchon à section droite carrée contenant un tube cylindrique ; un tel manchon peut alors simplement être réalisée par une gaine en "U" obturée par un couvercle plan amovible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé de recuit ou d'hypertrempe selon l'invention donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en élévation frontale d'une demi-matrice d'un moule de recuit montrant la première phase de mise en oeuvre du procédé de recuit selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective partiellement éclatée du moule fermé protégeant un tube devant être recuit. Suivant la figure 1, un tube cintré 1 devant être recuit est placé, par sa demi-face hémicylindrique externe inférieure l#a, sur un lit de poudre céramique 2, préférentiellement de l'alumine pulvérulente, que l'on a préalablement répandu sur la face interne 3a de l'empreinte en creux 3 d'une première demi-matrice 4a d'un moule 4 réalisé conformément au procédé de fabrication objet de l'invention. A cet égard, le tube cintré 1 présente un diamètre inférieur à celui du tube de conformation ayant servi à former les empreintes en creux 3 du moule 4. Puis, suivant la figure 2, on recouvre la demi-face hémicylindrique supérieure lb du tube cintré 1 au moyen de la même poudre céramique 2, et on ajuste la deuxième demimatrice 4b du moule 4 au dessus dudit tube 1 de manière à fermer complétement ledit moule 4. Un système de bridage 5 est prévu pour maintenir fermement le moule 4 autour du tube 1 pendant l'opération de recuit qui peut être traditionnellement effectuée au moyen d'un chauffage par courants de Foucault. Une agitation ou un retournement du moule 4 sur luimême peut s'avérer nécessaire pour que la répartition de la poudre de céramique 2 autour du tube 1 à recuire soit bien homogène. On peut ainsi prévoir d'aménager une table vibrante 6 en-dessous du moule 4, provoquant sa mise en vibration après le remplissage préliminaire de la poudre de céramique 2 dans le jeu ménagé à cet effet entre la face externe du tube 1 et la face interne 3a des empreintes en creux 3 des deux demi-matrices 4a du moule 4. Bien entendu, on peut utiliser toute forme de vibration mécanique autre qu'une table vibrante 6, ou recourir à des moyens de mise en vibration électromagnétiques tels que des générateurs d'ultrasons. Eventuellement, on peut faire précéder cette phase d'agitation ou de mise en vibration du moule 4 par un complément de remplissage en poudre céramique 2 ; des moyens d'accès, tels que des puits 7 munis d'une ouverture 7a obturable, sont alors répartis à divers endroits le long du moule 4 pour permettre ce complément de remplissage. L'homme de métier sait facilement adapter la disposition de ces puits 7 sur le moule 4 à la géométrie et aux dimensions du tube 1. On notera qu'avant le recuit du tube 1, il peut également suffir d'apporter le complément éventuellement nécessaire en poudre céramique 2 par les extrémités 4c du moule 4 avant qu'elles ne soient obturées par des coussinets 8 chargés d'étancher ledit moule 4. Dans une autre variante du procédé de la présente invention, le remplissage préliminaire du moule 4 peut être suivi d'une alternance de phases de mise en vibration et de phase de remplissage partiel dudit moule 4, ce qui procure une répartition particulièrement homogène et un tassement progressif de la poudre céramique 2 autour du tube 1 à recuire. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques, par lequel on dispose une pièce à recuire dans un manchon de manière à ménager un espace entre la surface externe dudit tube et la surface interne de ladite pièce, procédé caractérisé en ce qu'on remplit l'espace ainsi ménagé au moyen d'une poudre céramique que l'on compacte jusqu'à isoler la surface externe de ladite pièce de toute atteinte gazeuse corrosive. 2 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise de la poudre céramique d'alumine, préférentiellement sous une forme pulvérulente. 3 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise de la poudre céramique de zircone. 4 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise de la poudre de silicates apparentée aux poudres céramiques du type de la vermiculite, ou du talc. 5 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de pièces métalliques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué au recuit ou à l'hypertrempe de tubes métalliques, par exemple en acier, et notamment de tubes cintrés ou multiformés. 6 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise préférentiellement, et notamment pour le recuit ou l'hypertrempe des tubes cintrés ou multiformés, un manchon du type d'un moule obtenu à partir d'un tube de conformation homothétique des tubes à traiter. 7 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les trois phases suivantes - on place un tube (1) devant être traité sur un lit de poudre céramique (2) que l'on a préalablement répandu sur la face interne (3a) de l'empreinte en creux (3) d'une première demi-matrice (4a) d'un moule (4), - on recouvre la demi-face hémicylindrique supérieure (lob) du tube (1) au moyen de ladite poudre céramique (2), et on ajuste la deuxième demi-matrice (4b) du moule (4) au dessus dudit tube (1) de manière à fermer ledit moule (4), - on agite ou on retourne le moule (4) sur lui-même pour que la répartition de la poudre de céramique (2) autour du tube (1) soit parfaitement homogène. 8 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on fait précéder la phase d'agitation ou de mise en vibration du manchon ou du moule (4) par une phase d'un remplissage complémentaire du moule (4) en poudre céramique (2). 9 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on apporte le complément éventuellement nécessaire en poudre céramique (2) par les extrémités (4c) du moule (4) avant qu'elles ne soient obturées. 10 - Procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le remplissage préliminaire du manchon ou du moule (4) est suivi d'une alternance de phases de mise en vibration et de phase de remplissage partiel en poudre de céramique (2) dudit manchon ou dudit moule (4). 11 - Procédé de fabrication d'un moule à deux demimatrices nécessaire à la mise en oeuvre du procédé pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les phases suivantes a) on imprègne deux nappes d'un tissu en céramique d'une résine céramique polymérisable préalablement mélangée à un durcisseur, cette résine étant choisie pour supporter des températures élevées, b) on se sert de ces deux nappes de tissu imprégnées, et non encore durcies, pour faire l'empreinte d'un tube de conformation, droit ou cintré, de diamètre légèrement supérieur à celui du tube à recuire, ces deux nappes étant plaquées l'une contre l'autre autour dudit tube de conformation à la manière d'un "plâtre", c) après durcissage de la résine imprégnée dans les deux nappes, on dégage le tube de conformation pour obtenir un moule à deux demi-matrices portant chacune en creux l'empreinte respective de l'une des demi-faces externes dudit tube de conformation. 12 - Moules pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes métalliques tels que fabriqués selon le procédé de fabrication conforme à la revendication 11. 13 - Moule pour le recuit ou l'hypertrempe de tubes en acier selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'accès, tels que des puits (7) munis d'une ouverture (7a) obturable, répartis à divers endroits le long du moule (4), et permettant de remplir ledit moule (4) avec de la poudre de céramique (2) ou son équivalent.