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L'invention concerne un appareillage pour le traitement thermique et plus particulièrement pour la trempe à l'huile chaude de pièces en métal ferreux.
On sait d'une manière générale qu'on peut augmenter la du- rée de vie de l'huile de trempe des opérations du traitement thermique dans lesquelles on trempe ou refroidit rapidement les pièces en métal ferreux par immersion dans un bain d'huile, en procédant à des opéra- tions de nettoyage, en évitant de souiller l'huile, en ne traitant que des pièces propres, etc... On considère dans l'exécution de cer- taines opérations qu'il suffit de remplacer l'huile qui sort du bac avec la pièce qui y a été trempée.
Cette perte d'huile est dite "perte d'entranement". Si on remplace l'huile de perte par entraînement par une huile de trempe neuve de la qualité du commerce, la détérioration apparente de l'huile de trempe peut être nulle. '
Lorsqu'il s'agit d'opérations au cours desquelles le bain d'huile de trempe doit etre maintenu à température élevée, par exemple de 135 à 427 C, et de préférence de 149 à 204 C environ, telles que les opérations de trempe martensitique ou d'autres opérations de trempe isothermique, on a constaté que les mesures considérées dans la pratique comme satisfaisantes pour les opérations de trempe norma- les, sont relativement peu efficaces au point de vue de la prolongation de la durée de vie de l'huile de trempe.
C'est pourquoi ces opérations de trempe à chaud isothermique s'effectuent généralement dans des bains de sels inorganiques. Ces bains sont connus dans la technique et consistent généralement en des mélanges eutectiques contenant des nitrates et nitrites de sodium et de potassium. Etant donné que ces bains de sels sont oxydants par eux-mêmes, les opérations de trompe isothermes, telle qu'une trempe martensitique, provoquent toujours une décoloration des pièces et parfois une oxydation de ces pièces.
Le crémier chauffage de la pièce peut aussi s'effectuer dans des bains de sels de composition différente, ainsi qu'il est connu, mais le sel est entraîné dans le bain de trempe et donne lieu à la formation de boue. Cette formation de boue est onéreuse et en produisant un isolement thermique partiel du bac du bain de sel, la boue peut provoquer une surchauffe locale, en donnant lieu ainsi à des risques d'explosion, car il est connu que les nitrates et les nitrites se décomposent à une température légèrement supérieure à 538fC en formant des composés explosifs.
Des opérations de trempe isothermique en bains de sel ont été effectuées à la sortie d'autres fours de chauffage, mais les fours sans atmosphère donnent lieu à une oxydation excessive et, en atmosphère carburante, on court toujours le risque de la formation de dépôts de carbone venant en contact avec le sel ou y pénétrant et brûlant avec lui. Si une proportion notable de carbone s'accumule et pénètre dans un bain de sel, il y brûle en dégageant une quantité de chaleur considérable et provoquant une réaction qui s'entretient d'elle-même.
On a remédié aux inconvénients des bains de sels de chauffage et de trempe isothermique et on a pu effectuer dans la pratique de la trempe en bain d'huile chaude, en choisissant une huile de trempe possédant une stabilité thermique suffisante et une viscosité appropriée à la température voulue, par exemple de 1490 à 204 0 dans certaines opérations de trempe martensitique. On chauffe d'abord la pièce dans un four du type à atmosphère contrôlée, dans lequel la surface de la pièce reste brillante, propre et non oxydée (en atmosphère réductrice), et en faisant ensuite passer la pièce du four à atmosphère contrôlée dans un bain d'huile de trempe, à travers une atmosphère protectrice contenue dans une chambre de déchargement, on
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obtient une pièce brillante aussi propre que si elle venait d'être usi- née.
On maintient de préférence dans la chambre de déchargement un gaz réducteur semblable à celui de la chambre de chauffage du four, de sorte que l'atmosphère du four n'est pas souillée par le passage de.la pièce du four dans la chambre de déchargement. Pour effectuer des opé- rations de cémentation suivies d'un recuit martensitique, on donne la préférence à une atmosphère du four composée d'environ 40%H2, 20% CO et 40% N2, avec une faible proportion réglée de H2O, CO2, et d'un gaz hydrocarbure tel que CH4. Le même gaz, sans addition d'hydrocarbure, est utilisé dans la chambre de déchargement avec le gaz qui s'échappe de la chambre du four.
En effectuant une opération de trempe isothermique protégée, telle qu'une opération de trempe martensitique, on obtie@t une pièce brillante dans une huile neuve d'une viscosité d'environ 18,5 centisto- kes à 99 C et la pièce reste suffisamment propre lorsque la viscosité atteint environ 64,5 centistokes. Si la viscosité augmente ensuite et atteint 129 centistokes, la pièce doit être nettoyée par exemple au jet de sable abrasif. Une viscosité plus forte est considérée comme ne convenant pas à la trempe de la plupart des pièces en acier. La durée de vie de l'huile chaude de trempe se détermine généralement par sa viscosité, sa teneur en boue et son aptitude à maintenir la pièce propre, en rendant inutile son nettoyage ultérieur.
Ces conditions sont variables, mais dans un cas particulier donné on a utilisé l'huile à 204 C et les pièces sont restées brillantes et propres pendant envi- ron 300 heures, puis elles ont dû être nettoyées pendant une durée de marche de 300 heures de plus, et enfin l'huile a été mise au rebut com- me impropre avec une viscosité de 129 centistokes.
La plupart des opérations de trempe isothermique exigent habituellement une température de 149 C ou plus élevée, par exemple les opérations de trempe martensitique (trempe d'un alliage austéni- tique dans un bain de trempe maintenu à une température comprise entre les limites de la formation de la martensite). L'huile de trempe qui donnerait de bons résultats à une température de 149 à 204 C au cours d'une oprération de cette nature est beaucoup moins coûteuse qu'un bain de sels inorganiques, est moins corrosives à l'égard du bac de trempe et permet d'obtenir des pièces brillantes, et si sa surée de vie est satisfaisante, elle constitue un milieu de trempe à chaud de beau- coup préférable.
On constate que l'on peut prolonger, dans des conditions extraordinaires, la durée de vie des huiles de trempe à chaud en met- tant la surface de l'huile à l'abri du contact d'oxygène libre, par exemple de l'air. On peut obtenir une durée de vie d'une huile de plusieurs milliers d'heures à 204 C, en recouvrant complètement la surface de l'huile par une nappe dé gaz inerte, tel que les produits de combustion d'un générateur de gaz, et en purgeant la pièce d'oxygène (air) au moment où elle pénètre dans l'huile. Par gaz inerte, il faut entendre ici un gaz qui n'exerce pratiquement pas d'action oxydante sur l'huile à la température à laquelle elle se trouve. De nombreux gaz convenant à cet effet existent dans l'industrie et contiennent des pourcentages variables en CO2, CO, H2O, N2 et H2.
L'invention sera décrite ci-après d'une façon plus détail- lée avec référence aundessin dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un four de cémenta- tion continu comportant un dispositif de trempe complètement purgé; la figure 2 est une coupe partielle du bac de trempe de la Fig. 1.
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L'appareillage suivant l'invention est représenté schéma- tiquement sur la Fig. 1 et se compose d'un four de traitement thermi- que du type à atmosphère contrôlée qui comporte une chambre de chauf- fage 11, un vestibule de chargement 12, un vestibule de déchargement
13 et un bac de trempe 14. L'atmosphère du four est préparée par un générateur 15 du type endothermique qui engendre un gaz inerte de composition nominale de 20% CO, 40% H2, 40% N2, avec de faibles pourcentages réglés de CO2 et de vapeur d'eau. Ce gaz se prépare de préfé- rence par une réaction catalytique d'un mélange riche de gaz hydro- carbure, tel que le gaz naturel, et d'air, arrivant par des tuyaux à gaz et à air 9 et 10.
Le gaz inerte arrive dans la chambre du four par un tuyau 16 avec autant de gaz hydrocarbure d'enrichissement, tel que le gaz naturel, qu'il peut être nécessaire. On peut faire ar- river le gaz d'enrichissement par un tuyau 17, de façon qu'il se mélange avec le gaz inerte avant de pénétrer dans la chambre du four.
Le gaz effluent du four s'échappe de préférence dans les vestibules dans lesquels on fait aussi arriver un supplément de gaz inerte par des tuyaux 18, 19 pour contribuer à les purger.
On charge la pièce à traiter thermiquement qui, dans le cas envisagé, doit subir une cémentation et une trempe martensitique, dans le Vestibule de chargement 12, en lui faisant suivre un trajet
4 et en levant une porte de chargement extérieure 5 au moyen de bar- res 6. On ferme la porte 5 et on purge le vestibule de chargement 12, puis on lève une porte intérieure:7 au moyen de barres 8 et on fait avancer la pièce dans la chambre de chauffage 11, la porte 7 étant fermée, puis vers l'extrémité de déchargement du four, où on lève , au moyen de barres 20, une porte de déchargement intérieure non repré- sentée. Puis la pièce arrive dans le vestibule de déchargement 13 et on ferme la porte de déchargement intérieure au moyen des barres 20.
Le vestibule de déchargement 13 comporte une partie supé- rieure en tôle métallique 21 à travers laquelle passent des barres 22 qui font monter et descendre un élévateur 24 entre deux rails de gui- dage 25. L'élévateurr 24 fait descendre la pièce W, généralement sur un plateau, entre les parois latérales 26 du vestibule, dans un bain d'huile chaude contenue dans un bac de trempe à l'huile 14 situé en- dessous. Les parois latérales 26 se prolongent vers le bas dans le bain d'huile de façon à former un joint d'huile 27 d'une profondeur de l'ordre de 76 à 152 mm. ou davantage.
L'atmosphère du vestibule de déchargement peut être contrôlée et se compose de l'atmosphère du four, qui s'échappe à travers la porte inférieure de déchargement ou autour d'elle dans le vestibule de déchargement, et de gaz inerte qui arrive par le tuyau 19. Le gaz s'échappe du vestibule de décharge- ment 13 par un tuyau d'échappement 28 se terminant par un orifice 29.
Le bac de trempe 14 est un récipient étanche, alors que les bacs de trempe ordinaires, avec ou sans couloirs protégés, sont ouverts en haut et exposent ainsi la surface -de l'huile au contact de l'air. Le bac 14 comporte un couvercle étanche aux gaz 31, partant des parois latérales du bac et aboutissant aux parois latérales 26 du vestibule de déchargement. L'espace entre la surface de l'huile et le couvercle 31 permet à l'huile de trempe de se dilater en s'échauf- fant et peut être inondé si on laisse monter le niveau de l'huile dans le vestibule 13.
Le bac de trempe proprement dit comporte des roues à ailet- tes 32 qui fonctionnent dans des gaines 33 et sont supportées par des roulements 34. Ces roues sont noyées dans l'huile et actionnées par des moteurs 36 par l'intermédiaire d'accouplements 41 et d'une courroie ou chaine 43, 44. Un couvercle étanche aux gaz 45 est posé
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au-dessus de chacun des pignons de chaîne, non représentés, commandant respectivement des chaînes 43,44. Les roues à ailettes dirigent l'huile de trempe contre la pièce ;
chicanes 47 et 48, et une conduite 51 dirigent également l'huile contre la pièce, et la tempé- de l'huile est réglée par des tubes de chauffage 52,53 qui peuvent être chauffés intérieurement ou refroidis en y faisant passer de l'air- En faisant recirculer l'huile, on peut régler sa température avec précision sans surchauffe locale sensible.
Dans les opérations normales de trempe à l'huile chaude, tel qu'un recuit martensitique à 204 C on considérait comme satisfai- sante une durée de vie de l'huile de 600 heures. Le point d'éclair d'une huile appropriée est généralement d'environ 288 C ou plus élevé.
La viscosité d'une huile neuve est de 18,5 centistokes à 99 C et au bout de quelques centaines d'heures- elle atteint en partie 64,5 cen- tistokes et à ce-moment le carbone se dépose sur la pièce trempée ou subissant un recuit martensitique, probablement à cause de la propor- tion volumétrique relativement forte de boueet la pièce doit subir un nettoyage abrasif.
Dans les meilleures conditions de marchen dans la pratique, mais lorsque la surface de l'huile est exposée à l'action de l'air, une huile de trempe durait 600 heures avant que sa viscosité augmente de 18,5 à 64,5 centistokes, puis durait encore 500 heures jusqu'à ce que sa viscosité atteigne 129 centistokes et un nettoyage abrasif de la pièce était nécessaire pendant les 500 dernières heures de service de l'huile.
Pour prolonger la durée de vie de l'huile de 600 à 1100 heures, on a arrêté la rotation des roues à ailettes 32, 33, sauf pendant la période de courte durée nécessaire au cours de la trempe, pour éviter d'agiter l'huile exposée à l'action de l'air, on l'a fil- trée d'une manière continue et on a observé les autres mesures de conservation de l'huile, tel que le nettoyage préalable de la pièce.
Pour prolonger encore davantage la durée de vie de l'huile sa surface découverte a'été recouverte d'une nappe de gaz de purge ne contenant pas d'oxygène ou d'air. Ce résultat est facile à obtenir au moyen du gaz de l'atmosphère du four, mais en raison de la teneur généralement forte en hydrogène du gaz carburant (environ 40%) on court un grave risque d'explosion .
On prépare un gaz de purge moins coûteux et moins dangereux en mélangeant du gaz naturel avec de l'air dans des tuyaux 52,53..en faisant brûler le mélange dans une chambre de générateur à gaz exo- thermique à garnissage réfractaire, en faisant passer les produits de la combustion à travers un échangeur de chaleur 54 refroidi par l'eau, dans lequel la vapeur d'eau de la combustion peut se condenser et duquel l'eau peut sortir par un siphon 55, et en amenant le pro- duit gazeux par un tuyau 56 dans l'espace situé entre la surface du bain d'huile en dehors du vestibule de déchargement et le couvercle 31 du bac de trempe. Le gaz de purge peut s'échapper par un tuyau 58 se terminant par un orifice 59.
Le gaz ainsi produit peut consister en un gaz relativement "pauvre" ne contenant pas d'air et dont la composition approximative est la suivante :
EMI4.1
<tb>
<tb> CO2 <SEP> 10,5%
<tb> CO2 <SEP> 10,5%
<tb> CO <SEP> 1,5% <SEP>
<tb> H2 <SEP> 1,2%
<tb> N2 <SEP> 86,0%
<tb> CH4 <SEP> traces
<tb> point <SEP> de <SEP> rosée <SEP> 21 C.
<tb>
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Il doit être bien entendu que les caractéristiques précitées d'un gaz de purge ne sont données qu'à titre d'exemple et que la compo- sition et le point de rosée peuvent être compris entre des limites é- tendues, pourvu que de l'oxygène libre ne puisse pas venir en contact avec l'huile de trempe chaude.
En faisant usage d'un gaz de purge de la composition nomi- nale précitée dans l'installation décrite ci-dessus, on peut faire du- rer l'huile d'une manière très satisfaisante pendant plus de 6000 heu- res de marche continue à une température d'environ 204 C du bain d'hui- le, tandis que la viscosité de l'huile ne varie que de 18,5 à moins de
26,5 centistokes, aucun' nettoyage abrasif de la pièce n'étant néces- saire pendant toute la durée de l'opération et la teneur en volume de résidus boueux restant minimum.
On voit qu'en effectuant la trempe à l'huile chaude complètement purgée on peut prolonger la durée de vie de l'huile jusqu'au moment où, du fait de la perte par entraînement, il est nécessaire d'ajouter un supplément d'huile neuve pour maintenir l'huile en bon état à une viscosité inférieure à 64,5 centistokes en rendant ainsi inutiles les opérations de nettoyage de la pièce et de l'huile après la trempe à l'huile chaude.
Pour empécher l'huile chaude de venir en contact avec 'l'air atmosphérique, la pièce qui a subi une trempe isothermique dans l'huile chaude est soulevée dans le vestibule de déchargement 13 et on la fait sortir par le trajet 4 en passant par la porte de déchargement extérieure. L'ouverture de la porte de déchargement extérieure au moyen des barres 30 a pour effet d'allumer le gaz de l'atmosphère du vestibule au moyen d'une veilleuse non représentée ; on fait sortir la pièce et on ferme la porte. La combustion dans le vestibule de déchargement donne lieu à la formation de gaz brûlés qui empêchent d'une manière efficace l'oxygène d'y pénétrer et de venir en contact avec la surface de l'huile chaude.
Il est donc possible, en appliquant les principes exposés ci-dessus, d'obtenir des pièces brillantes'ayant subi un recuit martensitique ou une trempe isothermique avec une huile relativement peu coûteuse de trempe $' chaud, .dans des conditions qui assurent une durée de vie très satisfaisante de l'huile.