Brevet FR2905382A1 — publié le 20080307

L'invention concerne un dispositif de trempe sous gaz de pièces traitées à chaud, comportant une cellule de trempe pour la réception des pièces par charges, comportant un circuit de gaz de refroidissement présentant un ventilateur et raccordé à la cellule de trempe, et un dispositif de refroidissement pour le refroidissement du gaz de refroidissement chauffé au contact des pièces, ainsi qu'un dispositif de mesure pour la détermination de la température du gaz de refroidissement en au moins un point du circuit de gaz de refroidissement, ainsi qu'un dispositif de régulation pour la régulation du dispositif de refroidissement. Un dispositif de ce type permet d'effectuer une trempe sous gaz de pièces traitées à chaud, de sorte que leur structure austénitique est transformée en bainite. Une condition nécessaire à cette transformation réside dans un refroidissement rapide des pièces de la température d'austénisation, qui se 2905382 2 situe généralement entre 850 et 950 C, à une température de maintien, qui se situe entre 150 et 400 C selon le matériau. Après le refroidissement, la pièce est maintenue à la température de maintien. Une 5 trempe rapide et un maintien à une température de maintien spécifique sont importants pour le processus, car un refroidissement trop lent entraîne la formation de perlite, et un passage en dessous de la température de maintien la formation de martensite. Ces deux formes 10 de structure sont indésirables et réduisent la qualité des pièces. A l'heure actuelle, la trempe bainitique s'effectue principalement dans un bain de sel. Dans ce cas, les pièces sortant du four d'austénisation sont amenées à découvert à un bain de sel liquide qui se 15 trouve à la température de maintien et dans lequel elles sont immergées. Une fois que les pièces sont refroidies dans le bain de sel à la température de maintien, elles sont transférées directement dans un four à circulation d'air dans lequel se produit la transformation en une structure bainitique. L'inconvénient réside alors dans l'effort de nettoyage ultérieur des pièces. Dans le cas de pièces subissant des contraintes élevées et présentant de fines perforations par exemple pour la technologie de l'injection de carburant -un nettoyage dans des conditions de production sûres n'est pas possible, ce qui risque d'entraîner une attaque corrosive accompagnée de défaillances des pièces. Le transfert des pièces à l'air libre constitue un autre inconvénient, car alors la surface des pièces s'oxyde. 2905382 3 D'autres inconvénients résident en ce que les sels de trempe utilisés sont polluants, et en ce que le traitement ne peut que difficilement être automatisé, c'est-à-dire qu'il ne peut pas être intégré dans une 5 ligne de fabrication. On a en conséquence déjà proposé d'effectuer la trempe dans un flux de gaz. Le brevet DE 199 02 032 Cl décrit un dispositif conforme au genre. Selon ce document, les pièces sont introduites dans une cellule 10 de trempe froide et un gaz de refroidissement froid, de préférence de l'azote, est admis dans la cellule, après quoi il est mis en circulation par un ventilateur externe disposé dans une conduite. Le gaz en circulation parcourt deux canalisations de dérivation, 15 moyennant quoi il peut être chauffé dans une des canalisations de dérivation et refroidi dans l'autre. Le processus de trempe doit être régulé, à la fois dans la phase de trempe et dans la phase de maintien, par une régulation du débit de passage dans les deux 20 canalisations de dérivation au moyen de deux soupapes. Des problèmes en termes de technique de régulation se posent en raison de la dimension généralement importante de la cellule et du système de canalisations qui lui est raccordé, de même qu'en raison des grandes 25 quantités de gaz introduites par rapport au poids des pièces à traiter, de sorte qu'il n'est en particulier pas possible d'exclure un sur-refroidissement des segments de pièce à paroi mince. Ce qui entraînerait en ces points une transformation martensitique de la 30 pièce. 2905382 4 Le problème à la base de l'invention est donc de créer des mesures qui permettent de configurer la gestion du processus de manière simplifiée et plus fiable, un sur-refroidissement des pièces, même 5 n'intervenant que sur des segments de pièce, devant en particulier être évité. Pour résoudre ce problème, l'invention prévoit qu'un tampon thermique soit disposé dans le circuit de gaz de refroidissement. 10 Par tampon thermique il convient d'entendre une structure présentant une capacité thermique élevée, qui est en mesure d'absorber de grandes quantités de chaleur sans que sa température augmente sensiblement. La capacité thermique doit être dimensionnée par 15 rapport aux capacités thermiques de l'installation elle-même et à la quantité de gaz de refroidissement en circulation. Un tel tampon peut en particulier absorber une grande quantité de chaleur dans la phase de trempe, de sorte que la régulation des autres dispositifs de 20 refroidissement du gaz de refroidissement ne présente qu'une moindre intensité de régulation, en conséquence de quoi en évite en particulier les saturations. Dans la phase de maintien de la température, le gaz de refroidissement absorbe à nouveau de l'énergie 25 thermique à partir du tampon, mais sans monter fortement en température du fait que le tampon, en raison de sa capacité thermique élevée, n'a subi précédemment qu'une moindre augmentation de température, et que sa température se situe donc 30 pratiquement à la température de maintien prescrite. 2905382 5 Dans la phase de maintien de la température, des interventions de régulation supplémentaires ne sont également nécessaires qu'à un moindre degré, de sorte qu'on évite là encore les saturations. 5 Une configuration du dispositif de refroidissement pour le refroidissement du gaz de refroidissement chauffé au contact des pièces est constitué d'une évacuation de gaz hors du circuit de gaz de refroidissement en aval de la cellule de trempe 10 et d'une admission de gaz de refroidissement commandée par soupape, raccordée à une réserve de gaz, en amont de la cellule de trempe. Le gaz se trouve soit à la température de la pièce, soit à la température de maintien. De l'évacuation de gaz s'échappe sous une 15 pression régulée exactement la quantité de gaz de refroidissement qui correspond à la quantité de gaz amenée dans le circuit de gaz de refroidissement par l'intermédiaire de l'admission de gaz de refroidissement. 20 Dans un tel dispositif, le tampon thermique est de préférence disposé avant l'admission de gaz de refroidissement vu dans le sens de l'écoulement, de sorte qu'il se produit tout d'abord une régulation de la température "par le tampon", suivie ensuite 25 seulement par une régulation de précision par l'amenée de gaz refroidi, qui peut en conséquence être effectuée sans saturation. Si le gaz de refroidissement amené est un gaz de refroidissement cryogénique, il est intéressant de 30 disposer le tampon thermique après l'admission de gaz 2905382 6 de refroidissement vu dans le sens de l'écoulement, de manière à ce qu'avant de parvenir à la cellule de trempe, le gaz de refroidissement puisse traverser le tampon, et donc baisser en température. On obtient de 5 cette manière une uniformisation de la température à laquelle le gaz de refroidissement entre dans la cellule de trempe, de sorte que moins d'interventions de régulation sont nécessaires, et qu'on évite un sur-refroidissement du gaz de refroidissement en dessous de 10 la température de maintien. Le refroidissement peut également consister en une conduite parallèle au circuit de gaz de refroidissement disposée parallèlement au tampon thermique, dans laquelle est disposé un échangeur de 15 chaleur. Le tampon est de préférence une structure métallique, présentant une grande surface et une masse thermique élevée par rapport au flux de gaz en circulation. Le tampon peut par exemple être un 20 faisceau de tubes. Un tel faisceau de tubes est facile à fabriquer et doit uniquement être disposé dans le circuit de gaz de refroidissement pour assurer l'effet tampon souhaité. Pour déclencher un préchauffage du dispositif, on 25 dispose dans le circuit de gaz de refroidissement un système de chauffage qui est de préférence placé avant le tampon thermique. Le système de chauffage doit porter le dispositif à la température de maintien prévue avant que la charge à soumettre à la trempe soit 30 introduite dans la cellule de trempe. Du fait que le 2905382 7 système de chauffage se trouve juste avant le tampon, ce dernier est également préchauffé à la température de maintien avant l'introduction de la charge, de sorte qu'il s'établit sous l'action du tampon une température 5 de base pour la régulation automatique. Le refroidissement du gaz de refroidissement pendant l'opération de trempe peut être effectué par l'amenée de gaz se trouvant à la température de la pièce, mais également en utilisant un gaz réfrigéré, ce 10 qui est particulièrement efficace. Grâce à ce système, à savoir l'utilisation d'un flux de gaz chaud pour le refroidissement et d'un grand tampon thermique, les conditions thermiques régnant dans un bain de sel sont reproduites de manière idéale, 15 sans toutefois qu'il faille prendre en compte les sérieux inconvénients décrits ci-dessus concernant les bains de sel. Par ailleurs, il a pour avantage par rapport à la trempe en bain de sel qu'il n'est plus nécessaire de nettoyer les pièces après le traitement 20 thermique, de sorte qu'il est possible de traiter même les pièces présentant des perforations serrées, qui ne pouvaient pas être durcies par trempe bainitique avec les installations de l'art antérieur. Par rapport aux procédés à sec connus, l'avantage réside en ce que les 25 pièces sont trempées avec du gaz chaud pendant la totalité du processus de trempe, de sorte que même des pièces à géométrie complexe peuvent être traitées fiablement en termes de processus. 2905382 8 Le dispositif décrit permet surtout de mettre en oeuvre un procédé de trempe selon les revendications annexées relatives au procédé. Pour une meilleure compréhension de l'invention, 5 un dispositif est illustré schématiquement sur l'unique figure annexée. Le dispositif est constitué d'une cellule de trempe 1 dans laquelle est introduite une charge de pièces 2 à refroidir, et qui peut être fermée 10 hermétiquement, ce qui n'est pas plus précisément illustré sur la figure. La cellule de trempe 1 est disposée dans un circuit de gaz de refroidissement 3, moyennant quoi du gaz de refroidissement parvient par une arrivée 4 dans la cellule de refroidissement 1 et 15 en ressort par une sortie 5, après avoir été auparavant dirigé sur les pièces 2. Juste avant l'arrivée 4 se trouve un ventilateur 6 entraîné par un moteur électrique, qui met en circulation le gaz présent dans le circuit de gaz de refroidissement. 20 Après la sortie 5, en un point d'évacuation 7, une canalisation rejoint en dérivation un réservoir collecteur 8. Dans cette canalisation se trouve une soupape de surpression 9, qui est par exemple réglée à 6 bars, de sorte que lors d'une nouvelle amenée de gaz 25 dans le circuit de gaz de refroidissement 3 décrite plus en détail ultérieurement, qui a pour conséquence une augmentation de la pression, une quantité de gaz correspondante est à nouveau prélevée au point d'évacuation 7, de sorte qu'il y a toujours dans le 30 circuit la même quantité de gaz. Dans la canalisation 2905382 9 se trouve par ailleurs un échangeur de chaleur 9a qui refroidit à nouveau sur son trajet vers le réservoir collecteur 8 le gaz de refroidissement chauffé. Après l'évacuation 7 vu dans le sens de 5 l'écoulement se trouve dans le circuit de gaz de refroidissement 1 un système de chauffage 10 en aval duquel est disposé un tampon thermique 11, le tampon thermique pouvant présenter la forme d'un faisceau de tubes. Il existe deux possibilités pour la position 10 précise du tampon : (1) Après le tampon thermique 11 vu dans le sens de l'écoulement, et/ou à la hauteur du tampon thermique 11, se trouvent une ou plusieurs admissions 12 pour l'amenée de gaz de refroidissement, de préférence de 15 l'azote. Les admissions 12 sont raccordées à un premier réservoir de stockage 13 de gaz de refroidissement qui est préchauffé à la température de maintien. Un autre raccordement est réalisé avec un deuxième réservoir de stockage 14 au niveau duquel le gaz de refroidissement 20 est maintenu à la température de la pièce. Ce deuxième réservoir de stockage 14 est alimenté à partir du réservoir collecteur 8 par l'intermédiaire d'un compresseur 15. Un autre raccordement des admissions 12 est réalisé vers un troisième réservoir de stockage 16 25 contenant un gaz liquéfié fortement sur-refroidi, par exemple de l'azote liquide. Tous les raccordements sont commandés par soupapes (soupapes d'admission 17, 18, 19. (2) Le tampon thermique peut également être disposé dans la position 11' illustrée en pointillés, 30 juste avant le ventilateur 6 et après les admissions 2905382 10 12. Cette position présente un intérêt particulier si un gaz réfrigéré est admis dans le circuit de gaz de refroidissement en tant que gaz de refroidissement supplémentaire à partir du troisième réservoir de 5 stockage 16 par l'intermédiaire de l'admission 12. L'équilibrage thermique dans le tampon empêche un éventuel sur-refroidissement des pièces. A l'intérieur de la cellule de trempe 1, dans l'arrivée 4 vers les pièces 2, se trouve un capteur 10 thermique 20. La température mesurée par le capteur thermique 20 est enregistrée au moyen d'un dispositif de régulation 21, et utilisée pour la régulation de la température du gaz de refroidissement par une activation des soupapes d'admission 17, 18, 19 et du 15 système de chauffage 10. En plus de l'agencement décrit, il est possible de prévoir une canalisation parallèle 22 passant parallèlement à la section du circuit de gaz de refroidissement présentant le tampon thermique 11, et 20 qui est également commandée par soupape (soupape 13) et présente un échangeur de chaleur 24. Pour la trempe des pièces 2 d'une charge on procède comme suit : si cela n'a pas déjà été fait, la cellule de trempe 1 et le circuit de gaz de 25 refroidissement 3, qui sont tous deux isolés thermiquement de l'extérieur par une couche isolante appropriée 25, sont préchauffés à la température de maintien souhaitée, par exemple 250 C, par une mise en service du système de chauffage 10 et par une mise en 30 circulation par exemple d'air dans le circuit de gaz de 2905382 11 refroidissement au moyen du ventilateur 6. La réserve de gaz contenue dans le premier réservoir de stockage 13 est également préchauffée à la température de maintien. Le gaz contenu dans le deuxième réservoir de 5 stockage 14 est à la température de la pièce. Ce préchauffage est le cas échéant répété pour les opérations de trempe suivantes, et l'installation est portée à la température de maintien. Pour un préchauffage répété, il suffit éventuellement 10 d'utiliser l'énergie thermique introduite dans la cellule par le ventilateur 6 par l'intermédiaire du volume de gaz en circulation. La cellule de trempe est ensuite évacuée, et au moyen d'un dispositif de transport, une charge est 15 prélevée d'un four à vide disposé en amont et transférée dans la cellule de trempe préchauffée. Si le four disposé en amont est un four à gaz inerte, la cellule de trempe est en outre remplie d'un gaz inerte pour maintenir l'atmosphère inerte pour les pièces. 20 Dans ce cas, le préchauffage de la cellule de trempe peut également se faire avec un gaz inerte. Dès que les pièces se trouvent dans la cellule de trempe, le ventilateur 6 est mis en marche. Le gaz de refroidissement préchauffé provenant du premier 25 réservoir de stockage 13 est ensuite admis dans la cellule de trempe 1 par l'intermédiaire de la soupape d'admission 17, jusqu'à ce que soit atteinte la pression de travail souhaitée. La pression de travail peut se situer entre 1 et 20 bars, selon la composition 30 de l'alliage constituant les pièces à durcir par trempe 2905382 12 bainitique. On mesure alors la température du gaz de refroidissement dans l'arrivée 4 vers la cellule de trempe 1. Sous l'effet de l'énergie thermique évacuée hors de la charge, le gaz de refroidissement chauffe 5 au-dessus de la température de maintien. Mais pour qu'il soit maintenu à cette température, le gaz de refroidissement provenant du deuxième réservoir de stockage 14 et se trouvant à la température de la pièce est admis dans le circuit de gaz de refroidissement par 10 l'intermédiaire de la soupape d'admission 18. Une quantité de gaz correspondante est en même temps évacuée dans le réservoir collecteur 8 par l'intermédiaire de la soupape de pression 9. La deuxième soupape d'admission 18 est activée par le 15 dispositif de réglage 21 pour la régulation de la température en fonction de la température mesurée du gaz. Le système de chauffage 10 peut alors être intégré dans la régulation comme élément de régulation supplémentaire. 20 A la place du gaz de refroidissement présentant la température de la pièce, il est également possible de pulvériser dans la cellule de trempe 1 un gaz cryogénique, par exemple de l'azote, provenant du troisième réservoir de stockage 16. Ce qui a pour 25 avantage qu'on obtient une différence de température sensiblement plus élevée entre l'arrivée 4 et la sortie 5 de la cellule de trempe 1, et qu'il est en outre possible d'utiliser l'enthalpie de vaporisation du gaz pour évacuer la chaleur hors de la cellule de trempe 1. 2905382 13 La consommation de gaz s'en trouve considérablement réduite, et le procédé est rendu plus économique. Une autre variante pour l'évacuation de la chaleur passe par la canalisation parallèle 22. Par 5 l'intermédiaire de la soupape réglable 23, un flux partiel du gaz de refroidissement en circulation peut être dirigé dans la canalisation parallèle 22 en passant par l'échangeur de chaleur 24 et être ainsi refroidi. 10 Toutes les méthodes mentionnées ci-dessus visent à obtenir que la température dans la cellule de trempe 1 au niveau de l'arrivée 4 ne passe pas en dessous de la température de maintien. Cette régulation est améliorée et rendue moins 15 sensible au moyen du tampon thermique 11. Le tampon thermique 11 est également chauffé à la température de maintien au début de l'opération. Lorsque le gaz chaud traverse ce tampon 11 pendant la trempe, une grande part de la quantité de chaleur est tout d'abord 20 délivrée à ce tampon. En raison de la masse thermique élevée du tampon 11, sa température n'augmente alors que très peu. A la fin du processus de trempe, le tampon 11 est à nouveau refroidi par le flux de gaz se trouvant depuis à la température de maintien. On réduit 25 de cette manière l'effort en terme de technique de régulation, du fait que les pointes de température sont efficacement amorties dans le tampon thermique. 2905382 5 10 15 20 25 30 14 Liste des signes de référence 1 Cellule de trempe 2 Pièce 3 Circuit de gaz de refroidissement 4 Arrivée 5 Sortie 6 Ventilateur 7 Evacuation 8 Réservoir collecteur 9 Soupape de surpression 9a Echangeur de chaleur 10 Système de chauffage 11 Tampon 12 Admission 13 Premier réservoir de stockage 14 Deuxième réservoir de stockage 15 Compresseur 16 Troisième réservoir de stockage 17 Première soupape d'admission 18 Deuxième soupape d'admission 19 Troisième soupape d'admission 20 Capteur thermique 21 Dispositif de régulation 22 Canalisation parallèle 23 Soupape 24 Echangeur de chaleur 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif de trempe sous gaz de pièces traitées à chaud, comportant une cellule de trempe pour la réception des pièces par charges, comportant un circuit de gaz de refroidissement présentant un ventilateur et raccordé à la cellule de trempe, et un dispositif de refroidissement pour le refroidissement du gaz de refroidissement chauffé au contact des la de au moins un point du circuit de gaz de refroidissement, ainsi qu'un dispositif de 16 pièces, ainsi qu'un dispositif de mesure pour détermination de refroidissement en la température du gaz régulation pour la régulation refroidissement, caractérisé en thermique (11) est disposé dans le 2. Dispositif de trempe revendication 1, caractérisé en ce du dispositif de ce qu'un tampon circuit (3). sous gaz selon la qu'il existe en aval de la cellule de trempe (1) une évacuation de gaz (7) hors du circuit de gaz de refroidissement (3) et, en amont de la cellule de trempe (1), une admission de gaz de refroidissement pour le gaz tempéré, commandée par soupape, raccordée à une réserve de gaz. 3. Dispositif de trempe sous gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tampon thermique (11) est placé avant la cellule de trempe et après l'admission de gaz de refroidissement dans le sens de l'écoulement. 4. Dispositif de trempe sous gaz selon la 30 revendication 2, caractérisé en ce que le tampon 2905382 17 thermique (11) est placé avant l'admission de gaz de refroidissement dans le sens de l'écoulement. 5. Dispositif de trempe sous gaz selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le tampon 5 thermique (11) est placé après l'évacuation (7) dans le sens de l'écoulement. 6. Dispositif de trempe sous gaz selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il y a une canalisation parallèle (22) du circuit de gaz de 10 refroidissement (3) parallèle au tampon thermique (11), dans laquelle est disposé un échangeur de chaleur (24). 7. Dispositif de trempe sous gaz selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tampon thermique est une structure métallique 15 présentant une grande surface et une masse thermique élevée par rapport au flux de gaz en circulation. 8. Dispositif de trempe sous gaz selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un système de chauffage (10) est placé avant le tampon 20 thermique (11) dans le circuit d'écoulement. 9. Dispositif de trempe sous gaz selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réserve de gaz est constituée d'un premier réservoir de stockage (13) contenant du gaz chauffé, d'un deuxième 25 réservoir de stockage (14) contenant du gaz à la température de la pièce, et d'un troisième réservoir de stockage (16) contenant du gaz réfrigéré. 10. Procédé de trempe sous gaz de pièces dans une cellule de trempe au moyen d'un gaz de refroidissement, dans lequel les pièces, après leur refroidissement 2905382 18 rapide à la température de maintien, sont maintenues à cette température de maintien pour un temps déterminé, pour permettre une transformation de structure, et dans lequel le gaz de refroidissement est mis en circulation 5 dans un circuit de gaz de refroidissement présentant un ventilateur et raccordé à la cellule de refroidissement, caractérisé en ce qu'un gaz de refroidissement supplémentaire est introduit dans le circuit de gaz de refroidissement pour le 10 refroidissement du gaz de refroidissement chauffé au contact des pièces, de sorte qu'il s'établit une température qui correspond à la température de maintien prévue. 11. Procédé de trempe sous gaz selon la 15 revendication 10, caractérisé en ce que dans le circuit (3) est disposé un tampon thermique (11) qui est chauffé à la température de maintien avant le début de la trempe.