Brevet FR2863629A1 — publié le 20050617

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT PHYSICOCHfl IQUE À CHAUD DE PIÈCES MÉCANIQUES La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement physicochimique à chaud de pièces mécaniques. Un exemple de traitement physicochimique à chaud correspond à la cémentation de pièces mécaniques en acier qui consiste à introduire du carbone dans la surface des pièces pour en améliorer la dureté. Un traitement de cémentation consiste, par exemple, à soumettre les pièces à traiter, dans une enceinte étanche à l'air, à une alternance d'étapes d'enrichissement en présence d'un gaz de cémentation à faible pression et d'étapes de diffusion sous vide ou sous atmosphère neutre à faible pression. Les durées respectives des étapes d'enrichissement et de diffusion ainsi que leur nombre dépendent notamment de la concentration en carbone et de la profondeur de cémentation souhaitées dans les pièces, et ces traitements sont bien connus de la technique. Un exemple de procédé de cémentation à basse pression est décrit dans la demande de brevet français n 2 678 287 de la demanderesse. Tout traitement de cémentation est suivi d'au moins une étape de trempe effectuée au moyen d'un liquide de trempe ou au moyen d'un gaz de trempe. Le but principal de la trempe est d'obtenir un refroidissement rapide des pièces cémentées sans altérer l'état de surface obtenu. Un autre exemple de traitement physicochimique à chaud est la carbonitruration dont la seule différence par rapport à la cémentation vient du gaz d'enrichissement utilisé auquel on ajoute généralement de l'ammoniaque. Le résultat, parfaitement connu, est la formation de nitrures (au lieu de carbures pour la cémentation) en surface de la pièce. On notera donc que tout ce qui sera exposé par la suite en relation avec la cémentation s'applique également à la carbonitruration. Avant d'être introduites dans l'installation de cémentation, les pièces à traiter doivent être nettoyées pour avoir un état de surface compatible avec le traitement de cémentation. Le nettoyage est généralement obtenu en effectuant une oxydation superficielle des pièces à traiter, dans une enceinte séparée de l'installation de cémentation et appelée enceinte d'oxydation, de façon à brûler l'intégralité des impuretés recouvrant les pièces à traiter. Les pièces à traiter sont généralement oxydées sur une faible épaisseur, ce qui améliore en outre les pro- priétés de réactivité des surfaces des pièces à traiter lors des étapes d'enrichissement de la cémentation. Les pièces ayant subi une oxydation superficielle sont généralement temporairement stockées pour être transportées ultérieurement vers l'installation de cémentation. Toutefois, les opérations de manipulation des pièces superficiellement oxydées depuis l'enceinte d'oxydation jusqu'à l'aire de stockage et depuis l'aire de stockage jusqu'à l'installation de cémen- tation risquent d'entraîner le dépôt d'impuretés indésirables sur les pièces à traiter. En outre, il est nécessaire de prévoir une aire de stockage pour les pièces superficiellement oxydées, ce qui augmente le coût total du traitement de cémentation. De plus, de telles manipulations requièrent la présence d'opéra- teurs, ce qui augmente également le coût total du traitement de cémentation. En outre, il est nécessaire de prévoir un temps d'attente pour le refroidissement des pièces en sortie de l'enceinte d'oxydation avant leur manipulation, ce qui complique la gestion du flux des pièces à traiter. Enfin, puisque les pièces superficiellement oxydées sont à température ambiante lorsqu'elles sont introduites dans l'installation de cémenta- tion, une énergie importante est utilisée pour chauffer les pièces superficiellement oxydées aux températures nécessaires à la réalisation du traitement de cémentation. La présente invention vise un procédé et un dispositif de traitement physicochimique à chaud de pièces mécaniques comportant une étape préalable de nettoyage des pièces mécaniques permettant d'éviter une pollution des pièces entre l'étape de nettoyage et le traitement physicochimique à chaud ultérieur, notamment en évitant toute manipulation par des opérateurs des pièces ayant subi l'étape de nettoyage. La présente invention permet également une gestion efficace du flux des pièces entre l'enceinte de nettoyage dans laquelle est réalisée l'étape préalable de nettoyage et l'installation de traitement physicochimique à chaud, notamment en évitant le stockage de pièces entre l'étape de nettoyage et le traitement physicochimique à chaud ultérieur. La présente invention permet également une diminution de la consouânation d'énergie de l'installation de cémentation. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de traitement physicochimique à chaud de pièces mécaniques comprenant une enceinte de nettoyage à chaud recevant des pièces mécaniques à traiter et fournissant des pièces mécaniques nettoyées; une enceinte de traitement physicochimique à chaud pour effectuer un traitement physicochimique à chaud des pièces mécaniques nettoyées; et un moyen de transport pour transporter automatiquement des pièces mécaniques nettoyées depuis une sortie de l'enceinte de nettoyage à chaud jusqu'à une entrée de l'enceinte de traitement physicochimique en une durée de transport inférieure à la durée pour laquelle la différence entre la température des pièces mécaniques nettoyées sortant de l'enceinte de nettoyage à chaud et la température ambiante hors de l'enceinte de nettoyage à chaud diminue de moitié. Selon un mode de réalisation de l'invention, la durée de transport est inférieure à trois minutes. Selon un mode de réalisation de l'invention, la température des pièces mécaniques nettoyées en sortie de l'enceinte de nettoyage à chaud est supérieure à 300 C. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte de nettoyage à chaud est une enceinte d'oxydation adaptée à 10 oxyder superficiellement les pièces à traiter. Selon un mode de réalisation de l'invention, les pièces mécaniques sont en acier et l'enceinte de traitement physicochimique à chaud est une enceinte de cémentation comprenant un four de cémentation basse pression. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de transport con rend au moins un convoyeur à bande. La présente invention vise également un procédé de traitement physicochimique à chaud de pièces mécaniques comprenant les étapes, effectuées au moins en partie simulta- nément, consistant à nettoyer à chaud des pièces mécaniques à traiter dans une enceinte de nettoyage à chaud; transporter automatiquement des pièces nettoyées depuis l'enceinte de nettoyage à chaud jusqu'à une enceinte de traitement physico-chimique à chaud en une durée de transport inférieure à la durée pour laquelle la différence entre la température des pièces mécaniques nettoyées sortant de l'enceinte de nettoyage à chaud et la température ambiante hors de l'enceinte de nettoyage à chaud diminue de moitié ; et réaliser un traitement physico-chimique à chaud des pièces nettoyées dans l'enceinte de traitement physicochimique à chaud. Selon un mode de réalisation de l'invention, la durée de transport d'une pièce mécanique nettoyée depuis l'enceinte de nettoyage à chaud jusqu'à l'enceinte de traitement physico-chimique à chaud est inférieure à trois minutes. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de nettoyage à chaud est effectuée par oxydation superficielle des pièces mécaniques à traiter à une température supérieure à 300 C. Selon un mode de réalisation de l'invention, les pièces mécaniques sont en acier et le traitement physicochimique à chaud est la cémentation. 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 la figure unique qui représente schématiquement une vue de dessus d'un exemple de réalisation d'un dispositif de traitement physicochimique à chaud selon l'invention. Couine cela est représenté en figure 1, le dispositif de traitement 10 selon l'invention comprend une installation de cémentation 12 telle que décrite dans la demande de brevet européen n 0 922 778 de la demanderesse à laquelle on pourra se référer pour de plus amples détails. L'installation de cémentation 12 comprend une enceinte étanche 14 sous forme de cylindre (de section non nécessairement circulaire) à axe horizontal. Les deux extrémités de ce cylindre 14 sont bouchées par des couvercles étanches amovibles 15. Des cellules de traitement sont reliées latéralement à l'enceinte étanche 14 et se trouvent dans un même plan horizontal. Par exemple, quatre cellules de cémentation 16 (par exemple, pouvant contenir chacune une charge à cémenter) sont disposées deux à deux l'une en face de l'autre et débouchent dans l'enceinte étanche 14. Une cellule de chargement-déchargement 17 est disposée en face d'une cellule de trempe 18, ces cellules étant reliées à l'enceinte étanche 14. Les cellules de cémentation 16 et la cellule de trempe 18 sont séparées de l'enceinte étanche 14 par des portes mobiles non représentées. La cellule de chargement-déchargement 17 est séparée de l'enceinte étanche 14 par une porte mobile 19, représentée en traits pointillés, et du milieu extérieur par une porte extérieure 20. Un dispositif de manutention est sous la forme d'un chariot 21 qui se déplace dans l'enceinte étanche 14 parai- lèlement à l'axe de l'enceinte 14. Le chariot 21 se déplace, par exemple, sur des rails 22 s'étendant tout le long de l'enceinte étanche 14. Le chariot 21 est muni d'une fourche télescopique 23 qui est susceptible de s'étirer de part et d'autre du chariot 21 jusqu'au centre de chacune des cellules 16, 17, 18 pour y prendre et y déposer une charge en cours de traitement. Le chariot 21 est représenté en traits pleins au niveau des cellules 17 et 18, la fourche télescopique 23 pénétrant dans la cellule de chargement-déchargement 17 pour y prendre une charge 24. Bien entendu, la cellule de chargement-déchargement 17 a été préalablement mise à la basse pression de l'enceinte 10 pour pouvoir ouvrir la porte 19 qui constitue, avec la porte extérieure 20, un sas d'entrée. En traits pointillés, le chariot 21 est représenté au niveau des cellules de cémentation 16 médianes. Une installation telle qu'illustrée à la figure 1 est modulaire, c'est-à-dire qu'un ou plusieurs modules supplémentaires constitués chacun d'une portion d'enceinte étanche pourvue de rails et d'une ou de deux cellules peuvent être raccordés axialement à l'enceinte étanche 10 au niveau des couvercles 15 pour compléter l'enceinte étanche 10. Le dispositif de traitement 10 selon l'invention couprend une enceinte d'oxydation 30 au travers de laquelle circulent des charges à oxyder transportées par un premier convoyeur 34, une charge 32 étant représentée en figure 1 au niveau de l'entrée de l'enceinte d'oxydation 30. Le convoyeur 34 est, par exemple, un convoyeur à bande. De façon classique, l'enceinte d'oxydation 30 comprend un sas d'entrée et un sas de sortie (non représentés) permettant l'isolation des charges à oxyder. Un second convoyeur 36 est prévu au niveau de la sortie de l'enceinte d'oxydation 30 et permet le transport d'une ou de plusieurs charges entre le premier convoyeur 34 et la cellule de chargement-déchargement 17. Le second convoyeur 36 est, par exemple, un convoyeur à bande. Le second convoyeur 36 peut déplacer une charge selon deux directions opposées, c'est-à-dire depuis le premier convoyeur 34 vers la cellule de chargement-déchargement 17 ou depuis la cellule de chargement- déchargement 17 vers le premier convoyeur 34. Un module de supervision 38 commande le fonctionnement des premier et second convoyeurs 34, 36, de l'enceinte d'oxydation 30 et de l'installation de cémentation 12. En particulier, le module de supervision 38 commande le second convoyeur 36 pour le transport d'une charge depuis le premier convoyeur 34 vers la cellule de chargement-déchargement 17 ou depuis la cellule de chargement- déchargement 17 vers le premier convoyeur 34. Selon un exemple de fonctionnement du dispositif 10, chaque charge est constituée, par exemple, d'un lot de couronnes dentées, de bagues de synchronisation, de moyeux, etc., pouvant représenter un poids total de plusieurs centaines de kilo-grammes. Les charges à traiter sont successivement introduites dans l'enceinte d'oxydation 30, dans laquelle elles sont nettoyées par une étape d'oxydation superficielle à des températures de l'ordre de 400 à 500 C pendant plusieurs heures. A titre d'exemple, l'enceinte d'oxydation 30 peut réaliser simultanément l'oxydation de six charges, le sas d'entrée et le sas de sortie de l'enceinte d'oxydation 30 pouvant alors en outre contenir chacun une charge. Une charge sortant de l'enceinte d'oxydation 30 est immédiatement transportée par le premier convoyeur 34 et le second convoyeur 36 vers la cellule de chargement-déchargement 17 de l'installation de cémentation 12. Dans l'installation de cémentation 12, la charge est par exemple d'abord déplacée jusqu'à une cellule de cémentation 16 dans laquelle elle est portée à une température de 920 à 1000 C pendant 1 à 2 heures. En même temps, la pression est abaissée jusqu'à une valeur de 5 à 20 mbar. Puis, on soumet la charge à plusieurs étapes d'enrichissement sous atmosphère carbonée, alternées avec autant d'étapes de diffusion sous azote. Les durées respectives des étapes d'enrichissement et de diffusion sont choisies de façon classique et sont, de préférence, décroissantes pour les étapes d'enrichissement et croissantes pour les étapes de diffusion. La durée totale des étapes d'enrichissement et de diffusion est, par exemple, d'une centaine de minutes. La charge est alors déplacée jusqu'à la cellule de trempe 18 dans laquelle elle est soumise à une trempe au gaz, par exemple une trempe à l'air ou à un gaz inerte. Lorsque le traitement de cémentation est achevé, la charge est à nouveau déplacée jusqu'au second convoyeur 36 par l'intermédiaire de la cellule de chargement-déchargement 17. Le second convoyeur 36 transporte alors la charge jusqu'au premier convoyeur 34 qui la transporte finalement jusqu'à une zone de réception à laquelle des opérations de finition sont effectuées si cela est nécessaire. Le module de supervision 38 commande le flux des charges 32 à traiter entre l'enceinte d'oxydation 30 et l'installation de cémentation 12 de sorte que les pièces oxydées superficiellement sortant de l'enceinte d'oxydation 30 sont, de préférence, directement fournies à l'installation de cémentation 12. La durée de transport d'une charge entre l'enceinte d'oxydation 30 et l'installation de cémentation 12 est inférieure à la durée pour laquelle la différence entre la température des pièces mécaniques nettoyées sortant de l'enceinte d'oxydation 30 et la température ambiante hors de l'enceinte d'oxydation 30 diminue de moitié. A titre d'exemple, la durée de transport entre la sortie de l'enceinte d'oxydation 30 et l'entrée de l'installation de cémentation 12 varie de 30 secondes à environ trois minutes, et, de préférence, de 30 secondes à une minute, pour limiter le refroidissement de la charge superficiellement oxydée. Les charges entrant dans l'enceinte de cémentation 12 conservent donc sensiblement la température qu'elles ont en sortie de l'enceinte d'oxydation 30 qui est généralement supérieure à 300 C, et, de préférence, de l'ordre de 400 C à 500 C. Les températures présentes dans une cellule de cémentation 16 pouvant atteindre 900 C, des économies d'énergie sont réalisées puisqu'une quantité moins importante d'énergie doit être fournie aux charges entrant dans l'installation de cémentation 12 pour les amener aux températures de cémentation. La présente invention comporte de nombreux avantages: Premièrement, les charges étant transportées automatiquement depuis l'enceinte d'oxydation jusqu'à l'installation de cémentation, on limite toute nouvelle pollution des pièces après le traitement d'oxydation, notamment en évitant toute manipulation des pièces par des opérateurs. Deuxièmement, une optimisation de la gestion du flux des charges à traiter est obtenue en évitant le stockage de charges entre l'étape d'oxydation et l'étape de cémentation. Troisièmement, un gain d'énergie est réalisé puisque les charges sont fournies à l'installation de cémentation avec une température plus élevée que la température ambiante. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'honute de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite en relation avec un traitement de cémentation à faible pression, elle s'applique plus généralement à tout traitement dans lequel se posent des problèmes similaires. Il pourra s'agir, par exemple, d'un traitement de carbonitruration, de brasage et autres applications sous vide partiel avant trempe. De plus, l'adaptation des données de mise en oeuvre du procédé de traitement physicochimique à chaud de l'invention en fonction du type de pièces, du volume de la charge, et des traitements précédents est à la portée de l'homme du métier à partir des indications données ci-dessus. En particulier, on notera que les indications chiffrées de l'exemple particulier de traitement de cémentation indiqué précédemment n'ont qu'une vertu d'illustration de la faisabilité de l'invention, et que d'autres valeurs pourront être adoptées. En outre, le transport automatique des charges entre l'enceinte d'oxydation et l'instal- lation de cémentation peut être réalisé par tout moyen adapté, et notamment par un seul convoyeur à bande. Enfin, on notera que l'invention peut également être mise en oeuvre dans une installation de traitement du type de celle décrite dans le brevet européen n 0 388 333 de la demanderesse où plusieurs cellules de traitement verticales sont réparties au-dessus d'une enceinte étanche de transfert de la charge et de part et d'autre de la cellule de trempe. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement physicochimique à chaud (10) de pièces mécaniques (24, 32) comprenant: une enceinte de nettoyage à chaud (30) recevant des pièces mécaniques à traiter et fournissant des pièces mécaniques 5 nettoyées; une enceinte de traitement physicochimique à chaud (12) pour effectuer un traitement physicochimique à chaud des pièces mécaniques nettoyées; et un moyen de transport (34, 36) pour transporter automa- tiquement des pièces mécaniques nettoyées depuis une sortie de l'enceinte de nettoyage à chaud jusqu'à une entrée (17, 20) de l'enceinte de traitement physicochimique en une durée de transport inférieure à la durée pour laquelle la différence entre la température des pièces mécaniques nettoyées sortant de l'enceinte de nettoyage à chaud et la température ambiante hors de l'enceinte de nettoyage à chaud diminue de moitié. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la durée de transport est inférieure à trois minutes. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la température des pièces mécaniques nettoyées en sortie de l'enceinte de nettoyage à chaud (30) est supérieure à 300 C. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'enceinte de nettoyage à chaud (30) est une enceinte d'oxydation adaptée à oxyder superficiellement les pièces (24) à traiter. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les pièces mécaniques (24, 32) sont en acier et dans lequel l'enceinte de traitement physicochimique à chaud (12) est une enceinte de cémentation comprenant un four de cémentation (16) basse pression. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de transport (34, 36) comprend au moins un convoyeur à bande. 7. Procédé de traitement physicochimique à chaud de pièces mécaniques (24, 32) comprenant les étapes suivantes, effectuées au moins en partie simultanément: nettoyer à chaud des pièces mécaniques à traiter dans 5 une enceinte de nettoyage à chaud (30) ; transporter automatiquement des pièces nettoyées depuis l'enceinte de nettoyage à chaud jusqu'à une enceinte de traitement physicochimique à chaud (12) en une durée de transport inférieure à la durée pour laquelle la différence entre la température des pièces mécaniques nettoyées sortant de l'enceinte de nettoyage à chaud et la température ambiante hors de l'enceinte de nettoyage à chaud diminue de moitié ; et réaliser un traitement physicochimique à chaud des pièces nettoyées dans l'enceinte de traitement physicochimique à 15 chaud. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la durée de transport d'une pièce mécanique nettoyée (24) depuis l'enceinte de nettoyage à chaud (30) jusqu'à l'enceinte de traitement physicochimique à chaud (12) est inférieure à trois minutes. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape de nettoyage à chaud est effectuée par oxydation superficielle des pièces mécaniques (24) à traiter à une température supérieure à 300 C. 10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les pièces mécaniques (24, 32) sont en acier et dans lequel le traitement physicochimique à chaud est la cémentation.