Brevet FR2874079A1 — publié le 20060210

Machine de traitement thermochimique de cémentation Domaine technique de l'invention L'invention concerne une machine de traitement thermochimique sous basse pression d'atmosphère, pour la cémentation et éventuellement la carbonitruration de pièces métalliques, comportant des moyens de mise à température de cémentation, des moyens d'enrichissement de surface et des moyens de diffusion du carbone de la surface vers le coeur des pièces, respectivement pendant une première phase, une seconde phase et une troisième phase de traitement successives. État de la technique Il existe de nombreux systèmes de traitement thermochimique de cémentation et de carbonitruration de pièces métalliques, notamment des systèmes en forme de caisse avec un cément solide, des systèmes sous atmosphère non contrôlée, des systèmes sous atmosphère contrôlée avec un potentiel de carbone constant ou encore des systèmes à basse pression, de l'ordre de 5mbar à 20mbar, parfois même jusqu'à 100mbar. La cémentation et la carbonitruration nécessitent, généralement, une pression partielle de gaz cémentant, constitué par un hydrocarbure, par exemple du méthane (CH4), de l'éthylène (C2H2) ou du propane (C3H8), et éventuellement un gaz nitrurant, par exemple de l'ammoniac (NH3). Les opérations de cémentation, à savoir un traitement de mise à température de cémentation, un traitement d'enrichissement de surface et un traitement de diffusion du carbone, sont exécutées, de préférence, sous pression partielle d'azote. Pour éviter toute oxydation pendant le traitement de cémentation et pendant le transport jusqu'à la cellule de trempe, les pièces ne sont exposées à l'air à aucun moment. L'opération de trempe, qui fait suite généralement au traitement de cémentation, consiste à refroidir rapidement les pièces. Elle est réalisée soit dans un bain d'huiles ou de sels fondus, soit sous gaz à pression élevée et brassé, tel que l'azote, l'hélium ou divers mélanges de gaz neutres, tel que le gaz carbonique ou l'hydrogène. Ces différentes opérations, à savoir les différentes phases du traitement de cémentation sont généralement effectuées dans une même enceinte, la trempe étant effectuée dans une cellule séparée. Le brevet EP-A-0922778, notamment, décrit une installation de traitement thermique comportant une pluralité de cellules destinées au traitement thermique d'un ensemble de pièces métalliques. Les cellules sont toutes reliées à une enceinte centrale en équipression avec les cellules de traitement. Les pièces sont transférées d'une cellule à une autre par l'intermédiaire de rails de transport et de manutention. Après cémentation dans la cellule correspondante, les pièces cémentées sont transférées dans la cellule de trempe en passant par l'enceinte centrale, il n'y a donc pas de contact avec l'air ambiant. D'autres installations sont constituées de cellules indépendantes, reliées entre elles par une cellule mobile, qui a pour fonction soit les opérations de chargement et de transfert jusqu'à la cellule de trempe, soit les opérations de chargement, de transfert et simultanément de trempe sous gaz pressurisé. D'autres installations sont constituées d'une cellule unique du type plateaux poussés , cloisonnée et comportant un sas d'entrée et une cellule de trempe sous gaz. Dans tous les cas, toutes les phases du traitement de cémentation, à savoir au moins une phase de mise à température de cémentation, une phase d'enrichissement de la surface des pièces et une phase de diffusion du carbone de la surface jusqu'au coeur des pièces, sont effectuées successivement dans une seule et même cellule. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour objet la conception d'une machine de traitement thermochimique efficace, flexible et pouvant s'adapter et s'intégrer dans des lignes de production existantes de traitement de pièces en grande série. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la machine comporte au moins une cellule de mise à température de cémentation, une cellule d'enrichissement de surface et une cellule de diffusion du carbone, disposées les unes à la suite des autres, les cellules étant de forme standard et de longueur adaptable à la durée du traitement réalisé dans chaque cellule, des moyens de transfert d'une cellule à la suivante et des moyens de fermeture pour isoler une cellule des cellules adjacentes pendant les phases de traitement. Selon un développement de l'invention, une cellule comportant au moins deux fonds et un tronçon standard disposé entre les fonds, la longueur désirée d'une cellule est obtenue par mise en place de tronçons supplémentaires standards. Selon un mode de réalisation préférentiel, les cellules de mise à température de cémentation, d'enrichissement de surface et de diffusion du carbone peuvent être à parois froides. Selon un autre développement de l'invention, le transfert entre deux cellules est réalisé à une pression prédéterminée. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement une vue de face d'une machine de traitement thermochimique selon l'invention comportant une pluralité de cellules de traitement pour la cémentation. La figure 2 représente schématiquement une vue de dessus d'une variante de réalisation d'une machine de traitement thermochimique selon l'invention. La figure 3 représente schématiquement un mode particulier de réalisation d'une cellule d'enrichissement de surface de la machine de traitement thermochimique selon la figure 1. Description de modes particuliers de réalisation Sur les figures 1 et 2, la machine de traitement thermique, pour la cémentation basse pression de pièces métalliques, comporte une pluralité de cellules de traitement 1 à 7, disposées les unes à la suite des autres. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les cellules sont disposées alternativement les unes sur les autres, tandis que, dans le mode de réalisation de la figure 2, les cellules, représentées en vue de dessus, sont disposées alternativement les unes à côté des autres. Dans tous les cas, quelle que soit la disposition des cellules, chaque cellule correspond à une phase particulière du traitement de cémentation basse pression et présente une forme standard et une longueur L io adaptable. La machine comporte notamment une cellule 1 de nettoyage des pièces, pour préparer les pièces destinées à être cémentées. À titre d'exemple, la cellule 1 est une machine à laver ou à dégraisser travaillant à la pression atmosphérique ou, éventuellement, en pression partielle en phase vapeur. La machine comporte, après la cellule 1 de nettoyage des pièces, une cellule 2 de préchauffage des pièces. À titre d'exemple, la cellule 2 est un four de préchauffage, destiné à chauffer les pièces jusqu'à une température, par exemple, de l'ordre de 300 C à 500 C, avant leur introduction dans la cellule suivante. Le préchauffage réalisé dans la cellule 2 peut entraîner notamment une oxydation des pièces et une bonne activation de leurs surfaces. Cette phase est réalisée dans l'air à la pression atmosphérique, de préférence, avec un peu d'azote supplémentaire. Une fois la phase de préchauffage terminée, la cellule 2 est purgée au vide avant le transfert des pièces à l'intérieur de la cellule suivante. En aval des cellules de nettoyage 1 et de préchauffage 2, la machine comporte une cellule 3 de mise à température de cémentation. Le traitement réalisé dans la cellule 3 a pour but de faire monter la température des pièces à la température de cémentation requise, de l'ordre de 880 C à 1050 C. Cette phase est réalisée à la pression de cémentation, de l'ordre de 5mbar à 20mbar, de préférence avec de l'azote. Dans des cas particuliers, la pression peut atteindre jusqu'à 100mbar. En aval de la cellule 3 de mise à température de cémentation, la machine comporte une cellule 4 d'enrichissement de surface. Le traitement réalisé dans la cellule 4 consiste à enrichir la surface des pièces en carbone, ou en carbone io et en azote, afin de renforcer, après trempe, la dureté des pièces. Cette phase d'enrichissement est réalisée, par exemple, par une injection d'azote ou de tout autre gaz neutre, à une température de l'ordre de 880 C à 1050 C, complétée, à intervalles réguliers, par une injection d'un gaz cémentant. La pression dans la cellule 4 est, par exemple, de l'ordre de 5mbar et 20mbar suivant le gaz cémentant utilisé. À titre d'exemple, dans le cas de l'utilisation du propane ou de l'acétylène comme gaz cémentant, la pression à l'intérieur de la cellule 4 est de l'ordre de 10 à 12mbar. L'azote est injecté en continu pendant toute la durée de la phase d'enrichissement et, toutes les 5 à 8 minutes, du propane ou de l'acétylène, est injecté pendant 1 à 3 minutes. Après la cellule 4 d'enrichissement de surface, les pièces sont transférées dans une cellule 5 de diffusion du carbone. Le traitement réalisé dans la cellule 5 consiste à diffuser le carbone dans l'épaisseur des pièces, de la surface jusqu'au coeur des pièces, selon la profondeur désirée de la surface cémentée et le pourcentage de carbone souhaité à la surface des pièces. Cette phase du traitement est réalisée à la même pression que celle des cellules de mise à température de cémentation 3 et d'enrichissement de surface 4. La température est ajustée, de préférence entre 880 C et 1050 C, pour permettre une bonne vitesse de pénétration du carbone dans les pièces et pour obtenir la température optimale des pièces avant de réaliser l'opération de trempe. En aval des cellules 1 à 5, la machine comporte également une cellule 6 de trempe, équipée de portes étanches à la pression. À titre d'exemple, la cellule 6 est une cellule de trempe sous gaz, de trempe à l'huile, de trempe en bain de sel ou tout autre système permettant de refroidir les pièces. Dans une variante de réalisation (non représentée), la machine peut comporter, en aval de la cellule 5, deux cellules de trempe, par exemple une cellule de trempe à l'huile suivie d'une cellule de trempe sous gaz. La machine comporte, en aval de la cellule 6 de trempe, une cellule 7 de revenu. La phase de revenu est réalisée à une température, par exemple, de l'ordre de 200 C à 300 C. Les cellules 1, 2 et 7, représentées sur les figures 1 et 2, sont optionnelles. En effet, la machine pour le traitement de cémentation basse pression peut comprendre uniquement les cellules 3, 4, 5 et 6, qui correspondent, respectivement, aux trois phases indispensables d'un traitement de cémentation basse pression et à la phase de trempe, qui fait suite au traitement de cémentation. Les phases de traitement réalisées en amont, dans les cellules 1 et 2, et en aval, dans la cellule 7, ne sont que des phases complémentaires et optionnelles du traitement de cémentation basse pression. Les trois cellules 3, 4, 5, correspondant aux trois phases obligatoires du traitement de cémentation basse pression, sont à parois froides, de manière à être non polluantes et non dangereuses. Le transfert des pièces entre ces trois cellules est réalisé à une pression prédéterminée, à savoir la pression de cémentation, de l'ordre de 5mbar à 20mbar. Des systèmes de pompage maintiennent les trois cellules en équipression, notamment pendant les périodes de transfert. En l'absence des cellules 1 et 2, une cellule amont, constituant uniquement un sas d'entrée pour les pièces destinées à être cémentées, peut être prévue. Dans ce cas, il faut prendre garde à bien effectuer une purge par le vide dans le sas d'entrée, afin que la pression dans le sas soit la même que celle de la cellule 3, avant l'introduction des pièces et que l'air soit presque totalement purgé. Dans tous les cas, les pièces destinées à être cémentées passent obligatoirement et successivement, dans l'ordre, par toutes les cellules de traitement thermique disposées les unes après les autres. La machine comporte également des moyens de transfert d'une cellule à la suivante et des moyens de fermeture destinés à isoler une cellule des cellules adjacentes pendant les différentes phases du traitement de cémentation. À titre d'exemple, la machine comporte, entre deux cellules adjacentes, un compartiment 9 attenant à chaque cellule destiné à transférer les pièces. Les compartiments 9 de la machine comportent des moyens de défilement des pièces et peuvent aussi comporter un système d'isolation d'une cellule à l'autre pendant les phases de traitement. Sur la figure 1, les cellules sont disposées sur deux niveaux, alternativement bas (cellules 1, 3, 5 à 7) et haut (cellules 2 et 4). À titre d'exemple, les compartiments 9 comportent des ascenseurs ou des élévateurs, notamment pour passer d'une cellule basse (cellules 1, 3, 5 à 7), à une cellule haute (cellules 2 et 4). Sur la figure 2, les cellules sont disposées sur un seul niveau et les compartiments 9 comportent, par exemple, des systèmes de transfert, destinés à faire défiler les pièces d'une cellule à une autre. Par ailleurs, le transfert entre deux cellules adjacentes, représenté par des flèches 8 sur les figures 1 et 2, est réalisé à pression prédéterminée. La machine comporte donc des moyens supplémentaires (non représentés) pour ajuster et contrôler la pression en cours de traitement, si nécessaire, pendant les phases de transfert, à l'intérieur des compartiments 9. Les moyens de fermeture, destinés à isoler une cellule des cellules adjacentes pendant les phases de traitement, peuvent être constitués par tout moyen connu. En particulier, les moyens de fermeture disposés entre la cellule 2 de io préchauffage des pièces et la cellule 3 de mise à température de cémentation comportent une porte optiquement étanche ou étanche à la pression. À titre d'exemple, les cellules 1 à 7 ont toutes la même forme générale, à savoir sensiblement cylindrique. De plus, selon l'invention, au moins les cellules 3 à 5 sont de forme standard et de longueur L adaptable, ce qui permet de régler précisément le temps de traitement de chaque cellule pour une cadence donnée. Le changement de cadence permet, notamment, d'atteindre des profondeurs de cémentation différentes. La longueur L d'une cellule est donc proportionnelle à la durée du traitement réalisé dans cette cellule. Les cellules 3 à 5 sont conformées suivant un même modèle, standard, adapté à chaque fonction (chauffage, enrichissement et diffusion). Notamment, comme représenté sur la figure 3, la cellule 4 d'enrichissement de surface de la machine de traitement thermochimique représentée figure 1 est de forme sensiblement cylindrique et comporte deux fonds 10 bombés, pouvant contenir chacun une charge 11 de pièces métalliques. Chaque fond 10 est relié à un compartiment 9 correspondant, à savoir un compartiment 9 d'arrivée des pièces (flèche orientée vers le haut) et un compartiment 9 de sortie des pièces (flèche orientée vers le bas). Sur la figure 1, la cellule 4 est située sur un niveau haut. La charge 11 est donc transférée de la cellule précédente, par exemple, par l'intermédiaire d'un ascenseur et est transférée à la cellule suivante également par l'intermédiaire, par exemple, d'un ascenseur. La cellule 4, comme les cellules 3 et 5, standard, comporte également des équipements de chauffage, un circuit d'injection de gaz et des prises de pompage pour des pompes à vide (non représentés). Entre les fonds 10, la cellule 4 comporte, comme les cellules 3 et 5, au moins un tronçon 12 standard pouvant contenir deux charges 11 en cours de traitement. La mise en place de plusieurs tronçons 12 entre les fonds 10 permet de faire varier la longueur L2 (figure 1 et 2) de la cellule 4. A une même cadence, plus le nombre de tronçons 12 est important, plus la profondeur de cémentation est importante. Les charges 11 se déplaçant dans le sens de la flèche D pendant le traitement, plus le nombre de tronçons 12 d'une cellule est important, plus les pièces passent du temps dans la cellule. Par ailleurs, sur la figure 3, une charge 11 est représentée en pointillés à l'intérieur de la cellule 4, au niveau du compartiment de sortie des pièces, car il ne peut y avoir au même moment une charge 11 en regard du compartiment 9 d'entrée et une charge 11 en regard du compartiment 9 de sortie. Les longueurs L1, L2 et L3 (figures 1 et 2), respectivement des cellules 3, 4 et 5, peuvent donc être différentes selon le nombre de tronçons 12 standards qu'elles comportent. Les cellules avec des tronçons standards permettent ainsi une grande adaptabilité de la machine pour exécuter le traitement souhaité. La machine de traitement thermique décrite ci-dessus présente donc les avantages suivants. La machine est froide à l'extérieur et non polluante, grâce aux parois froides des cellules 3, 4 et 5. Les cellules étant de forme standard et de longueur adaptable grâce aux tronçons 12, elles peuvent s'insérer dans n'importe quel atelier d'usinage existant et dans n'importe quelle installation de fabrication de pièces en grande série. La productivité est donc fortement améliorée. La flexibilité de l'installation permet aussi, selon les commandes ou les traitements thermiques à effectuer, d'insérer ou non des cellules optionnelles, notamment des cellules de nettoyage 1, de préchauffage 2 et de revenu 7. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En o particulier, les pièces à traiter peuvent être constituées par des ensembles de pièces disposées sur un support. Les cellules peuvent avoir toute forme appropriée. Les moyens de transfert et de fermeture peuvent être constitués par tout moyen approprié permettant d'assurer des propriétés d'étanchéité et de pression prédéterminée entre deux cellules adjacentes. Le gaz cémentant peut être du propane ou tout autre hydrocarbure susceptible de s'associer aux températures de la cellule 4 d'enrichissement pour traiter la surface des pièces. Après la cellule 7 de revenu, la machine peut comporter des moyens de transfert supplémentaires (non représentés), destinés à transférer les pièces vers une autre machine, par exemple, de traitement de finition (grenaillage, rectification). Un traitement de carbonitruration peut éventuellement être appliqué dans les cellules 3, 4 et 5. L'enrichissement en azote peut alors s'effectuer en introduisant un gaz tel que l'ammoniac (NH3) dans les cellules d'enrichissement de surface 4 et de diffusion 5, à un rythme à déterminer en fonction du résultat souhaité. Revendications 1. Machine de traitement thermochimique sous basse pression d'atmosphère, pour la cémentation de pièces métalliques, comportant des moyens de mise à température de cémentation, des moyens d'enrichissement de surface et des moyens de diffusion du carbone de la surface vers le coeur des pièces, respectivement pendant une première phase, une seconde phase et une troisième phase de traitement successives, machine caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une cellule (3) de mise à température de cémentation, une cellule (4) d'enrichissement de surface et une cellule (5) de diffusion du carbone, disposées les unes à la suite des autres, les cellules (3, 4, 5) étant de forme standard et de longueur (L) adaptable à la durée du traitement réalisé dans chaque cellule, des moyens de transfert d'une cellule à la suivante et des moyens de fermeture pour isoler une cellule des cellules adjacentes pendant les phases de traitement. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, une cellule comportant au moins deux fonds (10) et un tronçon standard (12) disposé entre les fonds (10), la longueur désirée (L) d'une cellule est obtenue par mise en place de tronçons (12) supplémentaires standards. 3. Machine selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le transfert entre deux cellules est réalisé à une pression prédéterminée. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de transfert entre cellules comportent un compartiment (9) attenant à chaque cellule. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la pression à l'intérieur des cellules de mise à température (3) , d'enrichissement de surface (4) et de diffusion du carbone (5) est de l'ordre de 5mbar à 20mbar. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les cellules de mise à température (3), d'enrichissement de surface (4) et de diffusion du carbone (5) sont à parois froides. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la cellule (4) d'enrichissement de surface est maintenue à une température de l'ordre de 880 C à 1050 C. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en 15 ce qu'elle comporte une cellule (6) de trempe en aval de la cellule (5) de diffusion du carbone. 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval de la cellule (6) de trempe, une cellule (7) de revenu. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont de la cellule (3) de mise à température de cémentation, une cellule (2) de préchauffage des pièces. 11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont de la cellule (2) de préchauffage des pièces, une cellule (1) de nettoyage des pièces. 12. Machine selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que les moyens de fermeture comportent, entre la cellule (2) de préchauffage des pièces et la cellule (3) de mise à température de cémentation, une porte étanche à la pression.