Brevet FR2836689A1 — publié le 20030905

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé de cémentation de pièces en acier, notamment de pièces présentant une géométrie complexe, selon lequel on génère une impulsion de pression dans un four de cémentation par l'envoi d'un débit volumique d'un milieu de cémentation. En pratique, on connaît des procédés de cémentation de pièces en acier selon lesquels on enrichit en carbone la couche limite d'un acier à faible teneur en carbone ou on cémente avant d'effectuer la trempe de la pièce. De tels procédés sont connus depuis longtemps. Pour la cémentation en dépression on utilise un four à vide qui comporte une chambre de réaction dans laquelle on introduit des supports de charge pour effectuer la cémentation des pièces. La chambre de réaction est traversée par un gaz de procédé fournissant du carbone pour enrichir en carbone la zone limite des pièces. Dans un procédé de cémentation en dépression avec décomposition thermique des gaz de procédé, c'est-à-dire des hydrocarbures dans la chambre de réaction, on injecte les gaz de procédé de manière pulsée pendant les différentes étapes du procédé et on fait le vide en alternance de la chambre de réaction et/ou on l'expose à un rinçage à l'azote. Ainsi, dans un procédé de cémentation à dépression, connu, utilisé pour cémenter des pièces de forme géométrique complexe comme par exemple des pièces ayant des trous borgnes profonds ou des perçages traversants, on utilise des hydrocarbures insaturés tels que de l'éthylène ou de l'acétylène, de façon pulsée soit avec échange d'autres gaz de procédé comme par exemple de l'azote pour une pression constante ou variant légèrement ou encore en réalisant une impulsion de pression dans une plage allant jusqu'à 10 mbars à partir du vide ; on travaille avec des rapports de pression inférieurs à 1 mbar. Lorsqu'on réalise une impulsion de pression à partir du vide, on introduit un débit volumique constant du gaz de cémentation à l'intérieur du four de cémentation. La régulation de pression se fait par des volets d'étranglement ou des pompes à vide, de préférence des pompes à piston tournant à vitesse de rotation variable et ainsi à débit d'aspiration variable. La régularité de la cémentation, en particulier de la zone enveloppe du perçage et le fond du perçage par comparaison à la surface extérieure libre de la pièce à cémenter, est plus avantageuse lors de l'établissement d'une impulsion de pression à partir du vide que par un simple remplacement des gaz de procédé à l'intérieur d'un four de cémentation. Une autre grandeur d'influence pour la régularité de la cémentation de la pièce munie de perçages est l'évolution de la pression à l'intérieur du four de cémentation ou de la courbe de l'impulsion de pression. C'est ainsi que pour une faible pression et de faibles débits de gaz, suivant la géométrie ou les rapports existant respectivement entre le diamètre et la profondeur du perçage, seules malheureusement les zones extérieures de la pièce seront cémentées, la surface enveloppe du per- çage ou le fond du perçage ne seront pas cémentés ou ne le seront que d'une manière non satisfaisante comme pour les zones extérieures proches des zones marginales. Si l'on effectue une cémentation à débit volumique constant pour le gaz de procédé pendant toute la durée de l'impulsion, on ne pourra pas avoir une cémentation régulière des différentes zones d'une pièce car on n'aura que très lentement une concentration régulière du gaz de cémentation à l'intérieur d'un four de cémentation et aux endroits difficilement accessibles d'une pièce à cémenter comme par exemple l'intérieur des perçages borgnes. En outre, il s'agit d'éviter une cémentation locale excessive qui se traduirait par un développement excessif de carbure lédéburitique réduisant la solidité ou la dureté de la pièce dans la zone concernée. Une telle pièce à cémentation excessive est en général inutilisable. Avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé de cémentation de pièces en acier notamment de pièces de géométrie complexe du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on régule le débit volumique du milieu de cémentation pendant une impulsion de pression et on le commande en le modifiant de façon à atteindre une cémentation régulière de la pièce à cémenter. Ce procédé a l'avantage de permettre une répartition régulière rapide du moyen de cémentation par le réglage d'une répartition régulière de la concentration de ce moyen de cémentation et du réglage de paramètres de procédés identiques. Grâce à la cémentation régulière des pièces, en particulier des zones à l'intérieur et à l'extérieur des perçages des pièces, on atteint des avantages importants de qualité et de technique de procédé car on diminue la dispersion de la profondeur de trempe au niveau des différentes pièces ainsi que pour des charges composées de plusieurs pièces. En outre, le procédé selon l'invention diminue avantageusement le temps nécessaire à l'application du procédé car la profondeur de trempe dans les zones intérieures des perçages est atteinte déjà après une durée de cémentation plus courte que dans le procédé de cémentation connu. Il est en outre avantageux de diminuer de manière simple la cémentation excessive au niveau des bords des pièces dans les zones extérieures des perçages de pièces à cémenter ce qui permet de garantir la solidité des pièces. De plus, le procédé selon l'invention et la cémentation régulière qui en résulte offrent avantageusement la possibilité de cémenter à des températures de procédé plus élevées. Cela se traduit de nouveau par une réduction de la durée du procédé pour la cémentation. En effet, grâce à des températures de procédé plus élevées on réalise un meilleur transfert de carbone entre le milieu de cémentation dans la zone marginale d'une pièce à cémenter du fait de l'augmentation de la vitesse de diffusion du carbone. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'une impulsion de pression qui s'établit pour le fonctionnement d'un four de cémentation fonctionnant selon le procédé de l'invention ; ces moyens sont représentés schématiquement dans les dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. Ainsi : - la figure 1 est un schéma fortement simplifié d'un four de cémentation, - la figure 2 montre la courbe fortement simplifiée d'un débit volumique traversant un four de cémentation pour un milieu de cémentation ainsi qu'un autre gaz et la courbe qui en résulte pour l'impulsion de pres- sion. Description de l'exemple de réalisation La figure 1 montre d'une manière très schématique un four de cémentation 1 comportant une entrée 2 et une sortie 3 permettant d'introduire et d'évacuer le gaz de réaction ou gaz de procédé. A l'intérieur 4 du four de cémentation 1 se trouve une pièce non détaillée en acier ayant une géométrie complexe pour être cémentée. La géométrie complexe de la pièce se caractérise par plusieurs perçages traversants et des perçages borgnes et représente des difficultés de conduite du procédé de cémentation pour le transport du milieu de cémentation au niveau des zones intérieures difficilement accessibles des perçages. Au niveau de la sortie 3 on a une installation d'aspiration 5 qui, dans le présent exemple de réalisation, est constituée par une pompe non détaillée, à vitesse de rotation constante ou variable, permettant d'aspirer les gaz de réaction de l'intérieur 4 et de créer une régulation appropriée du vide. Au niveau de l'entrée 2 on a un contrôleur de débit massique 6 à l'aide duquel on peut régler très rapidement le débit volumique du milieu de cémentation fourni au volume intérieur 4 du four de cémentation 1, c'est-à-dire en l'espace de quelques secondes, pour le commander et le réguler en fonction du temps ; ce contrôleur est réalisé ici comme soupape de régulation de pression équipée d'un capteur à fil chaud. En variante, on peut également utiliser d'autres éléments de commande et de régulation qui conviennent pour la présente application pour le réglage des débits volumiques à l'intérieur du four de cémentation. La figure 2 montre l'évolution du débit volumique V d'un milieu de cémentation que l'on fait passer à l'intérieur 4 du four de cémentation 1 ; la figure montre également la courbe d'un débit volumique V-g d'un autre gaz alimentant le four de cémentation 1 ou d'un mélange de gaz ainsi que de l'évolution V-g correspondante ou qui en résulte de la pression p à l'intérieur 4 du four de cémentation 1 en fonction du temps t, pour les deux débits volumiques V. L'ensemble de la courbe de pression p est également appelé impulsion de pression réalisée pour atteindre une cémentation régulière d'une zone marginale d'une pièce ayant par exemple des perçages borgnes et/ou des perçages traversants, placés à l'intérieur 4 du four de cémentation 1 ; cette opération se fait de préférence sur une période de l'ordre de 1 minute à partir d'une valeur de pression dans l'intérieur 4 du four de cémentation qui est Au début de l'impulsion de pression, par une augmentation brusque du débit du milieu de cémentation et des autres gaz ou du débit volumique V du milieu de cémentation ainsi que d'un débit volumique V-g de l'autre gaz on crée une augmentation rapide de la pression dans le volume intérieur 4. Une valeur de pression de consigne dans une installation de commande non détaillée est augmentée de préférence d'une valeur de 4 mbars jusqu'à 6 mbars pour éviter l'asservissement de la pression p dans le volume intérieur 4 du four de cémentation 1 par le système de mise sous vide ou de l'installation d'aspiration 5. Pour éviter un dépôt de noir de fumées et de goudron par le développement d'hydrocarbures à chaînes longues dans le four de cémentation 1, pour diminuer la pression partielle et pour faire réagir avec les produits de décomposition du milieu de cémentation, l'autre gaz que l'on ajoute et que l'on introduit dans le volume intérieur 4 ne réagit pas avec la pièce à cémenter. Le débit volumique V-g introduit de manière complémentaire ou d'autres gaz est de préférence de l'hydrogène. IL relève évidemment du domaine de l'homme de métier d'introduire également d'autres gaz comme par exemple de l'azote, des gaz rares ou un mélange de ces gaz en plus du milieu de cémentation dans les fours de cémentation. Le procédé décrit peut toutefois s'effectuer sans introduire d'autres gaz, c'est-à-dire en introduisant seulement le milieu de cémentation. L'utilisation d'hydrogène permet d'éviter de manière efficace le dépôt de noir de fumées et de goudron à la surface de la pièce car en cas d'excédent d'hydrogène on aura une réaction du milieu de cémentation avec l'hydrogène à la surface de la pièce développant notamment des hydrocarbures de courte chaîne qui évitent le dépôt de carbone sous la forme de noir de fumées ou de goudron. Le milieu de cémentation est de préférence un hydrocarbure insaturé comme par exemple l'éthylène ou de l'acétylène. Il relève également du domaine de l'homme de métier de sélectionner et d'utiliser d'autres gaz de cémentation appropriés en fonction de l'application respective. Grâce à l'établissement rapide de la pression, en partant dans le cas présent d'une pression d'un domaine Après le relèvement brusque du débit volumique V du milieu de cémentation ainsi que du débit volumique V-g de l'autre gaz au début de l'impulsion de pression, on maintient constant le débit volumique V du milieu de cémentation et le débit volumique V-g de l'autre gaz pendant la première impulsion de pression I, à un niveau au moins sensiblement constant ; ensuite, pendant une seconde phase d'impulsion de pression II, on réduit en continu jusqu'à une valeur de seuil prédéterminée Vseuil... V-g-seuil. Les valeurs de seuil V-seuil et V-g-seuil sont dimensionnées pour que dans tous les cas il s'établisse l'évolution de la pression p telle que représentée dans le volume intérieur 4 du four de cémentation. Après avoir atteint les valeurs de seuil V-seuil et V-g-seuil, on maintient au moins sensiblement constant le débit volumique V du milieu de cémentation et le débit volumique V-g de l'autre gaz pendant une troisième phase d'impulsion de pression ; le débit volumique V du milieu de cémentation et le débit volumique V-g de l'autre gaz sera diminué à la fin de la troisième phase d'impulsion de pression III jusqu'à une valeur minimale V-min ou V-g-min, c'est-à-dire zéro. Suivant le paramètre de procédé réglé, en plus de la commande et de la régulation de la pression p dans le volume intérieur 4 par rapport au débit volumique V et V-g fourni, on effectue en outre une régulation du vide par l'installation d'aspiration 5 ; cette régulation se fait avec la pompe à régime variable de l'installation d'aspiration 5. La régulation du vide se fait de préférence 30 s après le démarrage du procédé qui commence par l'établissement de la pression à l'intérieur du four de cémentation ; l'intervention supplémentaire ne se répercute que peu à peu sur le système du fait du temps de réponse très long. En variante, on peut également prévoir d'effectuer la régulation du vide à l'aide d'une installation d'aspiration comportant des volets d'étranglement et une pompe à régime constant ; la régulation du vide se fait par le réglage du volet d'étranglement. Après l'abaissement du débit volumique du milieu de cémentation à la valeur minimale V-min on aspire le milieu de cémentation ainsi que l'autre gaz pour l'extraire du four de cémentation, ce qui correspond à l'évolution de la pression p représentée dans le diagramme de la figure 2. Pour faire diminuer rapidement la pression p après l'impulsion de pression, la pompe de l'installation d'aspiration présente avantageusement une puissance de pompage élevée. Grâce à l'établissement rapide de la pression au début de l'impulsion de pression et à la forte aspiration du milieu de cémentation à la fin de l'impulsion de pression et la diminution rapide de la pression qui en résulte, on atteint une régularité très poussée de la cémentation de la pièce traitée. NOMENCLATURE 1 four de cémentation 2 entrée de gaz 3 sortie de gaz 4 volume intérieur du four de cémentation 5 installation d'aspiration 6 contrôleur de débit massique 1 première phase d'impulsion de pression II seconde phase d'impulsion de pression III troisième phase d'impulsion de pression p pression V débit volumique du milieu de cémentation V-g débit volumique de l'autre gaz V-seuil seuil du débit volumique du milieu de cémentation V-g-seuil seuil du débit volumique de l'autre gaz V-min valeur minimale du débit volumique du milieu de cémentation V-g-min valeur minimale du débit volumique de l'autre gaz t temps REVENDICATIONS 1 ) Procédé de cémentation de pièces en acier, notamment de pièces présentant une géométrie complexe, selon lequel on génère une impulsion de pression dans un four de cémentation (1) par l'envoi d'un débit volumique (V) d'un milieu de cémentation, caractérisé en ce qu' on régule le débit volumique (V) du milieu de cémentation pendant une impulsion de pression et on le commande en le modifiant de façon à atteindre une cémentation régulière de la pièce à cémenter. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on régule et on commande le débit volumique (V) à l'aide d'un contrôleur de débit massique (6) à l'entrée (2) du four de cémentation (1). 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on relève brusquement le débit volumique (V) du milieu de cémentation au début d'une impulsion de pression de façon à augmenter rapidement la pression dans le volume (4) à l'intérieur du four de cémentation (1). 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on maintient au moins sensiblement constant le débit volumique (V) du milieu de cémentation pendant une première phase de pression impulsionnelle (I) et ensuite, pendant une seconde phase de pression impulsionnelle (II) on le réduit en le réglant sur un seuil prédéterminé (V-seuil). 5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' après avoir atteint le seuil (V-seuil) on maintient le débit volumique (V) du milieu de cémentation au moins pratiquement constant pendant une troisième phase de pression (III). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' après la troisième phase d'impulsion de pression (III), on maintient le débit volumique (V) à une valeur minimale (V-min). 7 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' on augmente une valeur de pression de consigne de façon à éviter une régulation postérieure d'une pression (p) du volume (4) à l'intérieur du four de cémentation (1) par un système sous vide (5) relié au four de cémentation (1). 8 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le milieu de cémentation est un hydrocarbure gazeux non saturé, de préférence l'éthylène ou de l'acétylène. 9 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que pour réduire la pression partielle du milieu de cémentation, pendant une impulsion de pression, on introduit en outre un autre fluide ne réagissant pas avec la pièce à cémenter, dans le volume (4) à l'intérieur du four de cémentation (1). 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on régule et on commande de manière à le modifier le débit volumique (Vg) de l'autre fluide pendant une impulsion de pression pour atteindre une cémentation régulière de la pièce à cémenter. 11 ) Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le fluide est de préférence de l'hydrogène, de l'azote ou un gaz rare. 12 ) Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu' on effectue une régulation de l'aspiration du milieu de cémentation ainsi que du fluide par l'intermédiaire des volets d'étranglement et d'au moins une pompe à vitesse de rotation constante. 13 ) Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu' on effectue une régulation de l'aspiration du milieu de cémentation et du fluide à l'aide d'au moins une pompe à vitesse de rotation variable.