Brevet FR2832735A1 — publié le 20030530

Etat de la technique La présente invention concerne un dispositif et un procédé de cémentation en dépression d'une zone marginale d'une pièce métallique comportant une chambre de réaction dans laquelle se trouve un support pour la pièce et dans laquelle débouche un embout tubulaire servant d'installation d'injection d'un gaz de réaction. Un tel dispositif et un tel procédé sont connus selon la pratique, et sont utilisés pour la cémentation d'une pièce fabriquée en acier selon lequel on enrichit en carbone la couche marginale d'un acier à faible teneur en carbone, c'est-à-dire que l'on renforce la concentration en carbone avant de faire la cémentation de la pièce. Habituellement, on utilise un four sous vide comportant une chambre de réaction dans laquelle on introduit les pièces à cémenter placées sur des supports de charges. La chambre de réaction est traversée par un gaz de réaction fournissant du carbone pour enrichir en carbone la zone marginale de la pièce. Dans le cas de la cémentation en dépression avec décomposition thermique du gaz de réaction, c'est-à-dire des hydrocarbures, on injecte les gaz de réaction dans la chambre de réaction de façon pulsée pendant les différentes étapes du procédé ; la chambre de réaction est en alternance mise sous vide et/ou exposée à de l'azote pulsé. En pratique, le gaz de réaction est fourni aux orifices d'injection d'un distributeur par des conduites d'alimentation. Ces orifices dits d'injection (ou encore orifices d'éjection) sont réalisés dans un embout tubulaire et par lesquels le gaz arrive à vitesse élevée dans la chambre de réaction. Le gaz de réaction qui passe par l'orifice d'injection respectif dans la chambre de réaction arrive également directement sur la pièce ou sur ce qui est appelé la charge. De cette manière, on a des jets locaux qui tombent sur la pièce dont on veut enrichir la teneur en carbone ; cela peut se traduire par un dépôt incontrôlé de carbone qui peut entraîner soit une surcharge de carbone soit une formation de suie. Un excédent de carbone conduit à un développement de carbure lédéburitique, diminuant la résistance ou la dureté de la pièce dans la partie correspondante. Une telle pièce avec un excédent de carbone est en général inutilisable. S'il y a dépôt de suie, il faut nettoyer la pièce après la cémentation au cours d'une étape supplémentaire pour enlever la suie, ce qui constitue un inconvénient. En outre, les orifices d'injection des fours de cémentation, à gaz, connus, sont en acier et du fait des contraintes thermiques, chimiques ou mécaniques, ces orifices sont exposés à une usure plus forte. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'embout tubulaire comporte au moins un orifice d'injection réalisé pour que l'injection du gaz de réaction par l'embout crée dans l'environnement de la pièce une concentration de gaz de réaction essentiellement homogène. Ce dispositif selon l'invention a l'avantage d'éviter le développement de jets arrivant directement sur la pièce, ce qui par conséquent évite une surcharge locale de carbone de la pièce. La concentration de gaz de réaction essentiellement homogène dans l'environnement de la pièce peut s'obtenir notamment en ce que l'on choisit la direction de l'orifice d'injection pour éviter tout jet direct du gaz de réaction sur la pièce. Ainsi, après introduction du gaz de réaction dans la chambre de réaction, le gaz de réaction servant de vecteur de carbone entre en turbulences et on a ainsi une homogénéisation poussée de l'atmosphère régnant dans la chambre de réaction. Dans l'ensemble de la chambre de réaction on aura ainsi un enrichissement homogène en carbone, ce qui exclut par conséquent tout excédent local de carbone sur la pièce. Le dispositif selon l'invention peut s'appliquer à la fois à un four à vide fonctionnant avec une pression partielle d'azote de l'ordre de 10 mbars, c'est-à-dire un quasi vide ou encore un four à vide travaillant dans un vide poussé de 10-3 mbars jusqu'à 10-2 mbars. Le dispositif selon l'invention peut utiliser n'importe quel gaz de réaction adapté à l'application. C'est ainsi que par exemple on peut utiliser un gaz de réaction servant de gaz de cémentation, avec des hydrocarbures tels que des alcanes, des alcènes, des alcynes et/ou des hydrocarbures aromatiques ou encore un mélange d'hydrocarbures et de gaz vecteurs ; ceux-ci peuvent être de l'azote, de l'hydrogène, de l'ammoniac et/ou des gaz rares. Dans le cas d'un four à vide avec un embout tubulaire avec dans son prolongement la pièce portée par un support, on homogénéise la concentration du gaz de réaction en réalisant l'orifice d'injection à la périphérie du tube. De manière préférentielle, la périphérie du tube comporte plusieurs orifices d'entrée du gaz de réaction, ces orifices étant répartis de façon à présenter un angle incliné par rapport à l'axe de l'embout tubulaire. Cela permet avantageusement de mettre le gaz de réaction en turbulences. L'embout tubulaire peut également comporter un orifice d'injection dans sa face frontale pour introduire le gaz de réaction dans la chambre de réaction. Dans ce cas, l'extrémité du tube est de préférence inclinée et comporte un diaphragme ou un rétrécissement de section pour exclure le développement de jets dirigés sur la charge ou la pièce à recharger en carbone. En variante, la face frontale de l'embout tubulaire peut également être fermée. L'orifice d'injection réalisé dans l'embout tubulaire pour le gaz de procédé peut comporter une tôle de déflexion servant déflecteur interdisant tout jet direct de gaz de procédé sur la pièce. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif de l'invention, l'embout tubulaire a par exemple un diamètre compris entre 5 mm et 20 mm. Le diamètre de l'orifice d'injection est de préférence de 3 mm à 10 mm. L'embout tubulaire et l'orifice d'injection peuvent toutefois également avoir un autre diamètre adapté à chaque application. Pour réduire l'usure de l'embout tubulaire au niveau de l'orifice d'injection, de préférence au moins au niveau de l'orifice d'injection, cette pièce est en un alliage métallique réfractaire, par exemple un alliage à base de nickel ou encore en un acier réfractaire. On évite ainsi la cémentation de l'embout tubulaire dans la chambre de réaction qui constitue une zone chaude. Dans la zone froide, c'est-à-dire en dehors de la chambre de réaction, on peut réaliser l'alimentation en gaz de réaction avec un tube en une matière telle que de l'acier ou du cuivre. L'embout tubulaire, qui se trouve dans la chambre de réaction, peut également être, selon une variante, en une céramique réfractaire comme une céramique à base d'oxyde d'aluminium ou une céramique à base de dioxyde de silicium. L'invention concerne également un procédé de cémentation en dépression d'une zone marginale d'une pièce par introduction d'un gaz de réaction par l'intermédiaire d'un embout tubulaire en forme d'installation d'injection dans la chambre de réaction dans laquelle se trouve la pièce. Selon ce procédé, le gaz de réaction est introduit dans la chambre de réaction pour avoir une concentration de gaz de réaction essentiellement homogène au moins dans l'environnement de la pièce. Dessin La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation d'un dispositif de cémentation en dépression représenté de manière schématique simplifiée dans le dessin et décrit ci-après. Dans les dessins, l'unique figure est un schéma de principe d'un four sous vide avec un embout tubulaire pour injecter un gaz de réaction. Description de l'exemple de réalisation L'unique figure du dessin montre, d'une manière fortement schématisée, un four à vide 10 fonctionnant sous une pression de l'ordre de 10-2 mbars et servant à carburiser les zones des bords d'une pièce 11 en acier, lors de la cémentation de cette pièce. Le four à vide 10 est réalisé avec une chambre de réaction 12 dans laquelle se trouve un support pour la pièce 11. Ce support n'est pas représenté à la figure. La chambre 12 a une section essentiellement ronde alors que la pièce ou la charge 11, selon le présent exemple, a une section essentiellement rectangulaire. Le four à vide 10 est muni d'une conduite d'alimentation 13 située en partie froide pour le gaz de réaction ou gaz de cémentation. Cette conduite débouche par l'intermédiaire d'un embout tubulaire 14 dans la chambre de réaction 12. Le gaz de réaction contient des hydrocarbures et un gaz vecteur comme par exemple de l'azote. L'embout tubulaire 14, qui se trouve dans la chambre de réaction 12 et dans la zone chaude du four à vide 10, est réalisé en un alliage métallique réfractaire comme par exemple un alliage à base de nickel et ainsi dans la zone du bord il est protégé contre la cémentation. L'embout tubulaire 14, qui dans l'exemple a un diamètre de 15 mm, présente à sa périphérie différents orifices d'injection 15... 18 dont le diamètre est par exemple compris entre 3 mm et 10 mm et ces orifices sont alignés pour éviter une attaque directe de la pièce 11 par le gaz de réaction arrivant par la conduite 13. Le tracé de l'écoulement du gaz de réaction est indiqué de manière très simplifiée par les flèches 21. De plus, l'embout tubulaire 14 a une face frontale libre 19 en biais comportant un diaphragme ou un rétrécissement de section 20 représenté schématiquement. Le gaz de réaction contenant des hydrocarbures passe également par le diaphragme 20 pour arriver dans la chambre 12 et cela de façon que la veine de gaz de réaction, étranglée par le dia- phragme 20, ne rencontre pas directement la pièce 11 de façon à exclure tout jet qui se briserait sur la pièce. Une disposition des orifices d'injection 15-18 et du diaphragme 20 selon la figure assure une mise en turbulence avantageuse du gaz de réaction servant de vecteur au carbone, pour arriver à une homogénéisation suffisante de l'atmosphère régnant dans la chambre de réaction 12. Cela permet, avec le dispositif selon l'invention, d'arriver à un niveau de carbone C, constant, dans les zones marginales de la pièce 11. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté. Au contraire, elle permet des variantes de réalisation également dans le cas d'un four à dépression équipé d'un grand nombre d'embouts tubulaires réalisés comme l'embout tubulaire décrit dans l'exemple cidessus. En variante ou en complément du mode de réalisation présenté il est également possible d'introduire un gaz de réaction par des orifices de déflexion réalisés au niveau des orifices d'entrée dans une chambre de réaction de façon à exclure pratiquement les écoulements avec des jets se brisant sur la pièce et pour qu'il règne une concentration de gaz de réaction aussi homogène que possible dans l'environnement de la pièce. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de cémentation en dépression d'une zone marginale d'une pièce métallique (11), comportant une chambre de réaction (12) dans laquelle se trouve un support pour la pièce (11) et dans laquelle débouche un embout tubulaire (14) servant d'installation d'injection d'un gaz de réaction, caractérisé en ce que l'embout tubulaire (14) comporte au moins un orifice d'injection (15,16, 17,18, 20) réalisé pour que l'injection du gaz de réaction par l'embout (14) crée dans l'environnement de la pièce (11) une concentration de gaz de réaction essentiellement homogène. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alignement d'au moins un orifice d'injection (15,16, 17,18, 20) est choisi pour ne pas avoir d'arrivée directe du gaz de réaction sur la pièce (11). 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un orifice d'injection (15,16, 17,18) est prévu à la périphérie de l'embout tubulaire (14). 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout tubulaire (14) a une face frontale en biais et un rétrécissement de section (20). 5 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face frontale de l'embout (14) est fermée. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout tubulaire (14) est réalisé en un alliage métallique réfractaire ou en un acier réfractaire au moins au niveau d'un orifice d'injection (15,16, 17,18, 20). 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout tubulaire comporte une céramique réfractaire au moins au niveau d'un orifice d'injection. 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une tôle déflectrice servant de déflecteur est prévue au niveau de l'orifice d'injection. 9 ) Procédé de cémentation en dépression d'une zone marginale d'une pièce (11) par introduction d'un gaz de réaction par un embout tubulaire en forme d'installation d'injection dans une chambre de réaction (12) dans laquelle se trouve la pièce (11), caractérisé en ce qu' on introduit le gaz de réaction dans la chambre de réaction (12) de façon qu'il règne une concentration essentiellement homogène de gaz de réaction au moins dans l'environnement de la pièce (11). 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on choisit une direction d'injection pour le gaz de réaction, qui exclut essentiellement un jet de gaz de réaction arrivant directement sur la pièce (11).