Brevet FR2844809A1 — publié le 20040326

La présente invention vise de façon générale le traitement thermique des métaux et plus particulièrement l'opération de trempe gazeuse de pièces en acier ayant subi au préalable un traitement thermique (tel chauffage avant trempe, 5 recuit, revenu) ou thermochimique (tel cémentation, carbonitruration). De telles trempes gazeuses sont généralement réalisées en faisant circuler un gaz sous pression en circuit fermé entre une charge et un circuit de refroidissement. Pour des raisons pratiques, les installations de trempe au gaz 10 fonctionnent généralement sous des pressions comprises entre quatre et vingt fois la pression atmosphérique (4 à 20 bars ou 4000 à 20000 hectopascals). Pour désigner la pression, on utilisera dans la présente description comme unité le bar, étant entendu qu'un bar est égal à 1000 hPa. La figure 1 représente de façon très schématique un exemple d'installation de trempe gazeuse. Cette installation 1 contient une charge 2 à refroidir disposée dans une enceinte étanche 3. La charge est typiquement entourée de plaques de déflection 4 pour guider la circulation de gaz. Une entrée de 20 gaz 5 permet d'introduire sous pression un mélange gazeux souhaité étant entendu que l'on peut par exemple introduire les gaz de refroidissement sous forme d'un mélange pré- formé ou que l'on peut prévoir plusieurs entrées de gaz distinctes pour introduire séparément divers gaz de refroidissement. Il est couramment prévu un accès de mise sous vide de l'enceinte (non représenté). Une turbine 6 actionnée par un moteur 7 permet d'assurer la circulation des gaz, par exemple en passant d'un circuit de refroidissement 9 vers la charge à refroidir 2. Le circuit de refroidissement 9 est couramment constitué de tuyaux 30 dans lesquels circule un fluide de refroidissement. L'installation de la figure 1 n'a été représentée qu'à titre d'exemple de l'une de nombreuses structures possibles et existantes pour assurer la circulation d'un gaz de refroidissement dans une enceinte. De façon classique, la 35 pression est de l'ordre de 4 à 20 bars pendant la phase de refroidissement. De nombreuses variantes sont possibles, quant à la disposition de la charge, au sens de circulation des gaz et au mode de mise en circulation de ces gaz. Pour des raisons pratiques, le gaz le plus couramment 5 utilisé pour assurer le refroidissement est l'azote étant donné qu'il s'agit d'un gaz inerte et peu coteux. En outre, sa densité est bien adaptée à des installations simples à soufflantes ou turbines et son coefficient de transfert thermique est suffisamment satisfaisant. En effet, il est connu, 10 dans les systèmes de trempe gazeuse, que la descente en température doit être la plus rapide possible pour que la transformation de l'acier se fasse de façon satisfaisante de la phase austénitique à la phase martensitique sans passer par des phases perlitique et/ou bainitique. Toutefois, on s'aperçoit que dans certains cas critiques, les installations de trempe à l'azote ne permettent pas d'obtenir une vitesse de décroissance en température suffisante. On a donc essayé des trempes à l'hydrogène ou à l'hélium. Un inconvénient de l'utilisation de ces gaz est que 20 les installations existantes, dimensionnées pour la trempe sous azote, en particulier en ce qui concerne la puissance de ventilation, ne sont pas optimisées pour l'utilisation de gaz de densité sensiblement différente. En outre, l'hélium est un gaz sensiblement plus coteux que l'azote, tandis que l'hydrogène 25 présente des risques d'inflammabilité et son utilisation nécessite de prendre des précautions particulières. Il faut d'ailleurs souligner que toutes ces approches antérieures (telles celles recommandant l'utilisation d'hydrogène ou d'hélium) étaient basées sur une recherche 30 d'amélioration du seul transfert convectif au sein de la chambre de traitement. Pour illustrer l'art antérieur, on peut également citer l'approche particulière du document EP-1 050 592, qui prévoit la présence de gaz tels C02 ou NH3 dans le gaz de trempe, mais en 35 ne notant pas d'amélioration supplémentaire dans l'efficacité de trempe par rapport aux mélanges inertes déjà pratiqués, l'utilité de leur présence étant surtout liée d'après le document à deux aspects, d'une part l'obtention simultanée d'effets thermochimiques (oxydation, nitruration etc....) ce que 5 l'on conçoit et d'autre part l'intégration physique facilité dans un procédé global de traitement thermique (ex: dans un procédé de cémentation) puisque la trempe en aval peut alors utiliser les même gaz que le traitement proprement dit situé en amont. Toujours dans le domaine du C02, on pourra également se reporter aux deux documents suivants o lorsque C02 est évoqué dans des opérations de trempe c'est dans une toute autre application (par exemple en plasturgie comme dans le document WO 00/07790) ou encore sous forme liquide comme dans le document 15 WO 97/15420. Dans ce contexte, un des objets de la présente invention est de prévoir une installation de trempe utilisant un gaz de refroidissement thermiquement plus efficace que l'azote mais qui soit peu coteux et simple à utiliser, permettant 20 d'assurer le refroidissement des matériaux les plus exigeants. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de refroidissement utilisant un gaz compatible avec les installations existantes fonctionnant actuellement à l'azote (et donc ne nécessitant aucune modification significative 25 d'installation). Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit, dans un procédé de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, l'utilisation d'un gaz de refroidissement 30 qui comprend un ou plusieurs gaz absorbant le rayonnement infra-rouge, choisi(s) de façon à améliorer le transfert thermique à la pièce en conjuguant les phénomènes de transferts radiatif et convectif, et de façon à améliorer le coefficient de transfert convectif par rapport aux 35 conditions traditionnelles de refroidissement sous azote. On conçoit que la notion d' " amélioration par rapport aux conditions traditionnelles de refroidissement sous azote " doit s'entendre selon l'invention comme comparant des conditions identiques de pression, température ou encore installation de trempe. Le procédé selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - le gaz de refroidissement comprend également un 10 gaz additif choisi parmi l'hélium, l'hydrogène ou leurs mélanges. - le gaz de refroidissement comprend en outre un gaz complémentaire. - la composition du gaz de refroidissement est 15 ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit du même ordre de grandeur que celle de l'azote. - la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à optimiser le coefficient de 20 transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement. - l'opération de refroidissement est menée au sein d'une enceinte o sont disposées les pièces à traiter, munie 25 d'un système d'agitation de gaz, et la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit adaptée audit système d'agitation de l'enceinte, sans qu'il soit nécessaire d'y apporter des modifications 30 significatives. - la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à ce qu'il puisse se produire, durant la phase de refroidissement des pièces, des réactions chimiques endothermiques entre le ou un des gaz absorbant et un autre des constituants du gaz de refroidissement. - ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est le CO2 - ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est choisi dans le groupe formé des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO, H20, NH3, NO, N20, NO2 et leurs mélanges. - la teneur en gaz absorbant dans le gaz de refroidissement est comprise entre 5 et 100%, de préférence entre 20 et 80%. - le gaz de refroidissement est un mélange binaire CO2He, dont la teneur en CO2 est comprise entre 30 et 80 %. - le gaz de refroidissement est un mélange binaire C02H2, dont la teneur en C02 est comprise entre 30 et 60 %. - on effectue une opération de recyclage du gaz de refroidissement après usage, apte à re-comprimer le gaz avant une utilisation ultérieure, et le cas échéant également à séparer et/ou épurer pour ainsi récupérer tout ou partie des constituants du gaz de refroidissement. L'invention concerne également l'utilisation dans une installation de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, installation optimisée pour un fonctionnement sous azote, d'un gaz de refroidissement comprenant de 20 à 80% d'un gaz absorbant le 25 rayonnement infra-rouge et de 80 à 20% d'hydrogène ou d'hélium ou de leurs mélanges, la composition du gaz de refroidissement étant ajustée pour qu'il ne soit pas nécessaire d' apporter de modifications significatives à l'installation. Comme on l'aura compris les notions selon l'invention 30 de " choix " du ou des gaz absorbant, ou encore d' " ajustement " pour atteindre des propriétés souhaitées de coefficient de transfert, ou de densité ou encore de caractère endothermique, doit s'entendre comme concernant la nature des constituants du mélange et/ou leur teneur dans ce mélange. C'est donc le mérite de la présente invention de s'être démarquée de l'approche traditionnelle de l'art antérieur d'amélioration simple des conditions de transfert convectif, pour se rendre compte que la part du transfert radiatif dans le 5 transfert thermique global est située entre environ 7 et 10% (dans la gamme allant de 400 à 1050 cC), donc très significative, et qu'il était donc tout à fait avantageux de s'intéresser à cet aspect du transfert pour le prendre en compte et l'exploiter. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1, décrite précédemment, représente un exemple d'installation de trempe au gaz; - les figures 2A et 2B représentent le coefficient de transfert thermique convectif de différents mélanges de gaz à diverses pressions, dans le cas d'un fluide en écoulement parallèle 20 entre des cylindres; et - la figure 3 représente des courbes de variation de température en fonction du temps pour divers gaz de trempe utilisés dans les mêmes conditions. Selon la présente invention, on propose d'utiliser 25 comme gaz de trempe un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge ou un mélange à base de tels gaz absorbant le rayonnement infrarouge (ci-après désigné par gaz absorbant), tel que le dioxyde de carbone (CO2), et additionné le cas échéant d'un ou de plusieurs gaz présentant une bonne aptitude au transfert de 30 chaleur convectif (ci-après désigné par gaz additif), tel que l'hélium ou l'hydrogène. Un tel mélange présente l'avantage, par rapport aux gaz ou mélanges de gaz de trempe traditionnels utilisant des gaz transparents aux rayonnements infra-rouges, comme l'azote, 35 l'hydrogène, et l'hélium, d'absorber de la chaleur à la fois par phénomènes convectif et radiatif, augmentant ainsi le flux de chaleur global extrait d'une charge à refroidir. On peut éventuellement ajouter à ce mélange, d'autres gaz, ci-après désignés par gaz complémentaire, tel que l'azote, 5 envisagé aussi bien corme simple gaz porteur que dans un rôle plus actif permettant comme on le verra plus loin d'optimiser les propriétés du mélange de gaz comme la densité, la conductivité thermique, la viscosité etc.. Selon un des modes de réalisation de la présente 10 invention, tel qu'illustré en figures 2A et 2B, on propose d'utiliser certains mélanges de gaz tels que définis ci-dessus, qui présentent en outre de meilleurs coefficients de transfert thermique convectif (kH) en Watt par mètre carré et par Kelvin que chacun des gaz pris séparément.Coome on l'a vu précédemment 15 en effet, selon un des modes avantageux de mise en oeuvre de l'invention, on va ajuster la composition du gaz de refroidissement de façon à " optimiser " le coefficient de transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement 20 pris individuellement. On doit entendre alors par " optimisation " ici le fait de se situer au maximum de la courbe considérée, ou bien plus bas (par exemple pour des raisons économique) mais en tout état de cause de façon à disposer d'un coefficient de transfert convectif qui soit 25 meilleur que chacun des coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement. Selon un autre mode avantageux de mise en oeuvre de la présente invention, il est proposé d'utiliser un mélange de gaz 30 absorbant (et le cas échéant de gaz additif), avec éventuellement l'ajout de gaz complémentaires, dans des conditions optimisées de densité telles que l'on peut effectuer une trempe dans des installations de trempe habituellement prévues et optimisées pour fonctionner en présence d'azote. Pour 35 cela, on mélange par exemple au dioxyde de carbone de l'hélium, pris comme gaz additif, de telle sorte à combiner une optimisation du coefficient de transfert de chaleur par convection et une densité moyenne du mélange qui soit du même ordre de grandeur que celle de l'azote. On peut alors utiliser 5 les installations existantes avec des vitesses et puissances de ventilation comparables et les structures de ventilation et de déflection de gaz existantes, sans avoir à apporter de modifications significatives à l'installation. Ceci présente l'avantage que, dans une installation 10 donnée, optimisée pour une trempe à l'azote, l'utilisateur pourra, en temps normal, quand cela convient aux matériaux envisagés, utiliser l'azote comme gaz de trempe et, seulement dans des cas particuliers des matériaux plus exigeants, i.e quand les conditions spécifiques des pièces ou des aciers à 15 traiter nécessitent des traitements particuliers, utiliser par exemple le mélange de dioxyde de carbone et d'hélium donné en exemple ou encore le mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène également exemplifié ici. Bien entendu comme il apparaîtra clairement à l'homme 20 du métier, si l'invention a tout particulièrement été illustrée dans ce qui précède à l'aide du C02, d'autres gaz absorbant le rayonnement IR sont également envisageables ici sans sortir à aucun moment du cadre de la présente invention tels les hydrocarbures saturés ou insaturés, CO, H20, NH3, NO, N20, NO2 et 25 leurs mélanges. De même si l'on a tout particulièrement insisté dans ce qui précède sur un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention o l'on va ajuster les concentrations des différents gaz pour obtenir à la fois de bonnes performances de 30 transfert thermique et des conditions de densité proches de l'azote afin de ne pas avoir à modifier de façon significative l'installation, on peut sans sortir du cadre de la présente invention choisir de privilégier les conditions optimum de transfert thermique, quitte à utiliser des mélanges de densité 35 plus éloignée de celle de l'azote, et devoir alors apporter des modifications à l'installation, notamment au moteur d'agitation (adoption d'un moteur de puissance nominale différente, ou encore d'un système de variateur de vitesse). Ceci pourrait être par exemple le cas pour un mélange gazeux comportant 90% de CO2 5 et 10% d'hydrogène dont la densité est environ 40% plus élevée que celle de l'azote. La figure 2A représente, pour des pressions de 5, 10 et bars, le coefficient de transfert thermique convectif kH d'un mélange de C02 et d'hélium, pour diverses proportions de C02 10 dans le mélange. Ainsi, les abscisses donnent le rapport entre la concentration de C02, c(CO2), et la concentration totale de C02 et He, c(CO2+He). On s'aperçoit que le coefficient de transfert thermique convectif présente un maximum pour des valeurs de concentration de C02 comprises entre environ 40 et 15 70%, en l'occurrence d'environ 650 W/m2/K à 20 bars pour une concentration de l'ordre de 60%. Ainsi, le mélange présente non seulement l'avantage d'avoir une densité voisine de celle de l'azote mais en plus de présenter un coefficient de transfert thermique convectif plus élevé que celui de C02 pur. La figure 2B représente des courbes similaires pour des mélanges de dioxyde de carbone (CO2) et d'hydrogène (H2). On s'aperçoit que l'on a un maximum du coefficient de transfert thermique convectif kH pour des valeurs de concentration de C02 comprises entre environ 30 à 50%, en l'occurrence d'environ 850 25 W/m2/K à 20 bars pour une concentration de l'ordre de 40%. En outre, on note que le coefficient de transfert thermique convectif kH est meilleur pour un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène que pour un mélange de C02 et d'hélium. Un autre avantage de l'utilisation d'un tel mélange de 30 dioxyde de carbone et d'hydrogène est que, dans les conditions usuelles de trempe de pièces en acier, il se produit des réactions chimiques endothermiques entre le C02 et l'hydrogène, ce qui contribue encore à la rapidité du refroidissement. Par ailleurs, on constate que, en présence de C02 le risque d'explosion lié à l'hydrogène est sensiblement réduit, même s'il se produit une introduction malencontreuse d'oxygène. La figure 3 illustre le résultat de calculs simulant le refroidissement par transfert convectif d'un cylindre en acier 5 avec divers gaz de refroidissement dans le cas de l'écoulement du mélange parallèlement à la longueur des cylindres (cylindres simulant le cas de pièces allongées). On a représenté des courbes pour l'azote pur (N2), pour un mélange à 60% de C02 et 40% d'hélium, pour de l'hydrogène pur, et pour un mélange à 40% 10 de C02 et 60% d'hydrogène. On constate que c'est ce dernier mélange qui donne les meilleurs résultats, c'est-à-dire la plus grande vitesse de refroidissement entre 850 et 5000C. Pour ce dernier mélange, l'amélioration de la vitesse de trempe est de l'ordre de 20% par rapport à l'hydrogène seul et de l'ordre de 15 100% par rapport à l'azote seul. Bien entendu, comme déjà souligné précédemment, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme du métier, notamment en ce qui concerne le choix des gaz, l'optimisation des proportions 20 de chaque gaz, étant entendu que l'on pourra si on le souhaite utiliser des mélanges ternaires tels CO2-He-H2 et que l'on pourra éventuellement rajouter d'autres gaz, appelés plus haut gaz complémentaires. FR-0211680 jeuamendéFev2003 il S6048 REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, caractérisé en ce que le gaz de refroidissement comprend un ou plusieurs gaz absorbant le rayonnement infrarouge, choisi(s) de façon à améliorer le transfert thermique à la pièce en conjuguant les phénomènes de transferts radiatif et convectif, et de façon à améliorer le coefficient de transfert convectif par rapport aux conditions d'un refroidissement qui serait effectué sous azote dans des conditions identiques de pression, température ou encore d'installation de refroidissement. 2. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz de refroidissement comprend également un gaz additif choisi parmi l'hélium, l'hydrogène ou leurs mélanges. 3. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le gaz de refroidissement comprend en outre un gaz complémentaire. 4. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit du même ordre de grandeur que celle de l'azote. 5. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à optimiser le coefficient de transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement. 6. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'opération de refroidissement est menée au sein d'une enceinte o sont disposées les pièces à traiter, munie d'un système d'agitation de gaz, et en ce que la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à obtenir une FR- 02 11680 jeu amendé Fev 2003 12 S6048 densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit adaptée audit système d'agitation de l'enceinte, sans qu'il soit nécessaire d'y apporter des modifications significatives. 7. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à ce qu'il puisse se produire, durant la phase de refroidissement des pièces, des réactions chimiques endothermiques entre le ou un des gaz absorbant et un autre des constituants du gaz de refroidissement. 8. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est le C02. 9. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est choisi dans le groupe formé des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO, H20, NH3, NO, N20, NO2 et leurs mélanges. 10. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en gaz absorbant dans le gaz de refroidissement est comprise entre 5 et 100%, de préférence entre 20 et 80%. 11. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de refroidissement est un mélange binaire C02-He, dont la teneur en C02 est comprise entre 30 et 80 %. 12. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gaz de refroidissement est un mélange binaire C02-H2, dont la teneur en C02 est comprise entre 30 et 60 %. 13. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue une opération de recyclage du gaz de refroidissement après usage, apte à re-comprimer le gaz avant une utilisation ultérieure, et le cas échéant également à séparer et/ou épurer pour ainsi récupérer tout ou partie des constituants du gaz de refroidissement. FR- 0211680 jeu amendé Fev 2003 13 S6048 14. Utilisation dans une installation de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, installation optimisée pour un fonctionnement sous azote, d'un gaz de refroidissement comprenant de 20 à 80% d'un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge et de 80 à 20% d'hydrogène ou d'hélium ou de leurs mélanges, la composition du gaz de refroidissement étant ajustée pour qu'il ne soit pas nécessaire d' apporter de modifications significatives à l'installation.