Procédé et appareil pour le durcissement superficiel de pièces métalliques par le courant électrique. La présente invention comprend un pro cédé pour le durcissement superficiel de pièces métalliques par le courant électrique et un appareil pour la réalisation de ce procédé.
Ce dernier est caractérisé en ce qu'on soumet la pièce à traiter, formant électrode, à une cémentation au carbone et à l'azote provenant au moins en partie d'un bain électrolytique constitué par une solution d'ammoniaque et d'un cyanure alcalin, chaque zone de la surface de la pièce à traiter étant chauffée à une température voisine du point de fusion par la décharge se produisant entre cette zone et l'électrolyte, puis immédiate ment refroidie par l'électrolyte lui-même,
la tension entre les électrodes étant supérieure à 60 volts et la densité du courant dans la zone chauffée par la décharge étant d'envi ron 1 ampère par centimètre carré.
En opérant comme il vient d'être dit, sous l'action d'une tension de 60 volts ou plus, il se forme des arcs électriques traversant la mince couche gazeuse qui recouvre la pièce à traiter là où la densité du courant est plus forte. La pièce à traiter peut jouer le rôle de cathode; l'électrolyte est avantageusement maintenu à une température un peu au-dessus de l'ordinaire.
La surface de la pièce à trai ter s'échauffe sous l'effet de ces arcs et de la combustion des gaz présents tels. que l'hydro gène, dégagés par la décomposition calorifique et électrolytique de l'électrolyte. Le métal de la surface de la pièce à traiter ainsi chauffée se cémentera avec les matières de décomposi- tion de l'électrolyte et cette cémentation au carbone et à l'azote donne lieu à un durcisse ment superficiel de la pièce à traiter.
L'anode, formée de préférence d'un con ducteur inattaquable, par exemple de char bon de cornue, s'entoure facilement d'un<B>dé-</B> pôt formé de métalloïdes déposés par le cou rant. Pour remédier à cela, l'anode peut. soit être secouée de temps en temps, soit être ani= mée d'un mouvement relatif rapide par rap port à l'électrolyte.
La pièce à traiter peut aussi jouer le rôle d'une anode: la décharge chauffante se pro duit aussi dans ce cas.
L'appareil pour la réalisation du procédé susindiqué comporte un récipient disposé pour être rempli d'un bain électrolytique constitué par une solution d'ammoniaque et d'un cya nure alcalin et muni de moyens permettant de maintenir ce bain électrolytique à une tempé rature voulue, ce récipient contenant une électrode faisant partie de l'appareil, formée quelquefois avantageusement au moins en partie de charbon, l'antre électrode étant for <I>mée</I> par la pièce à traiter,
l'arrangement de l'appareil permettant des mouvements de translation relatifs en vue d'amorcer de zone en zone de la. surface traitée les phénomènes d'échauffement et de refroidissement.
Sur le dessin annexé, donné à titre d'exemple: La fig. 1 est une coupe longitudinale sché matique d'un appareil pour l'exécution du procédé suivant l'invention.
La fig. 2 est une coupe longitudinale d'un appareil utilisé pour le durcissement de l'a- rête tranchante d'un couteau.
La fig. 3 est une coupe longitudinale d'un appareil analogue utilisé dans le même but. L'appareil de la fig. 1 comporte un réci pient 1 en matière isolante contenant l'élec trolyte 2 qui est une solution d'ammoniaque, par exemple à 25 % d'ammoniaque, saturée de cyanure de sodium, avantageusement chauffée à 30--40 C.
L'anode 3, qui est ici entièrement en charbon, a la forme d'un cy lindre creux, afin de permettre une réparti tion régulière des lignes du courant tout au tour de la pièce à traiter 4 qui forme cathode dans cet exemple et se trouve plus ou moins au centre du cylindre 3. La zone dans la quelle l'effet de cémentation se produit tout autour de la pièce à traiter est indiquée sur la fig. 1 par des petites flèches.
A mesure que le phénomène décrit plus haut se manifeste, il se produit un échauffe ment de l'électrolyte qui peut aller au-dessus du degré voulu; pour remédier à cet incon vénient, un dispositif de réfrigération de l'électrolyte a été prévu. Sur la fig. 1,
ce dis positif est établi de façon à produire une cir culation de l'électrolyte par des tubes 5 et 6, circulation destinée à maintenir l'électrolyte à la température voulue.
La pièce à traiter 4 est entourée d'un écran isolant 7 avec fenêtres 8. Un dispositif (non-représenté) sert à imprimer un mouve ment de translation relatif de l'écran 7 et de la pièce 4, en vue d'amorcer de zones en zones des phénomènes de chauffage et de re- froidissement alternatifs sur la pièce à trai- ter,
pour amener celle-ci, en ces zones, à une température voisine du point de fusion, puis la refroidir de nouveau immédiatement après, dans le but d'obtenir, avec le bain électro lytique formé par la solution d'ammoniaque saturée de cyanure de sodium,
une cémenta- tion au carbone et à l'azote de la pièce à trai ter réalisant un durcissement de celle-ci.
Les fils d'amenée du courant électrique aux électrodes sont désignés par 9 et 9'. La. tension appliquée est supérieure à 60 volts et la densité du courant dans la. zone chauffée par la décharge est d'environ 1. ampère par centimètre carré de surface.
La surface extérieure de la pièce traitée comme dit ci-dessus prend une plus grande dureté par rapport au corps intérieur de la pièce. En service,
les choem se passent de telle façon que dès que les fenêtres 8 arrivent en face d'une zone de la surface de la pièce 4, il s'y produit une chemise formée de pro duits gazeux, traversée par des aras électri ques qui échauffent la zone en question et la portion avoisinante de l'électrolyte,
d'où formation de vapeurs entretenant ladite che- mise gazeuse. La zone chauffée se déplaçant par le mouvement relatif de la pièce 4 et de l'écran 7 et l'électrolyte revenant au contact de la zone chauffée,
le chauffage se trouvera de ce fait suivi immédiatement d'un refroi- dissement. Par la répétition. des déplacements relatifs de la pièce 4 et de l'écran 7,
chaque zone de la surface pourra être alternative- ment chauffée et refroidie. Ces opérations sont accompagnées de la libération de ma tières de décomposition de l'électrolyte qui produiront, au contact de la zone chauffée de la pièce à traiter, une cémentation au car bone et à l'azote de cette zone, et cela seule ment à la surface de la pièce, comme l'ont prouvé plusieurs essais pratiques.
Il se peut qu'il soit utile d'augmenter la conductibilité électrique de l'électrolyte par addition de sels inertes au point de vue de la cémentation.
Le durcissement obtenu est très efficace pour les outils à outils à arêtes. tranchantes tels que: couteaux, ciseaux, lames, etc. Dans ce cas on agira de préférence sur l'arête de l'outil seulement, tandis que les couches pro fondes .du métal restent inchangées.
L'appareil montré en fig. 2 est construit en vue de la réalisation du procédé pour cet usage. Il comprend un récipient 10 lequel est solidement fixé un banc 11 en matière iso lante. Une rainure 12 est tracée au sommet du banc 11 tout le long de celui-ci. C'est dans cette rainure que vient se loger l'arête de la lame 14,du couteau 13 qu'il s'agit de traiter et qui constitue la cathode.
L'anode 15 est à grande surface et est disposée à proximité de l'arête dans une poche pratiquée dans le banc 11. On aperçoit le fil positif 16 relié à l'anode 15. Dans ces conditions la cémenta tion, indiquée par les petites flèches au des sin, n'a lieu que sur la partie de l'arête 18 du couteau disposée vis-à-vis -de l'anode. L'élec trolyte 17 est, dans ce cas aussi, une solution d'ammoniaque au 25<B>%</B> saturée de cyanure de sodium. Une fois le phénomène amorcé, il suf fit de retirer le couteau de l'électrolyte en suivant le mouvement indiqué par la flèche et en prenant soin de laisser glisser l'arête du couteau dans la rainure 12.
Un arrange ment non-montré au dessin permet de main tenir le bain à la température voulue.
Un appareil destiné au même but est re présenté en fig. 3. Il comporte un réservoir 1.9 en matière isolante dans lequel est disposée l'électrode 21 en forme de cylindre, formée d'une composition conductrice contenant du carbone sous forme de charbon de cornue ou de graphite et maintenue solidement par un support 20. Le couteau 22 constitue l'autre électrode et est introduit de façon que sa lame glisse légèrement sur l'électrode 21 et forme un mauvais contact 24 entre l'arête et ladite électrode 21 dont on aperçoit sur le des sin le fil 25 amenant le courant. L'électro lyte 26 est de préférence, dans ce cas aussi, une solution d'ammoniaque saturée de cya nure de sodium.
Un arrangement non-montré au dessin permet de maintenir, ici aussi, le bain à la température voulue.
Le durcissement s'effectue de la façon suivante: On introduit dans le bain le couteau for mant, par exemple, le pôle positif en le lais sant glisser au-dessus de l'électrode négative 21. Aussitôt que le contact 24 s'établit entre l'arête du couteau et l'électrode 21, le métal du couteau s'échauffe et forme un alliage du métal primitif avec le carbone contenu dans l'électrode 21 et avec l'azote et le carbone de l'électrolyte 26. Ce contact imparfait est aussitôt rompu par le mouvement de glisse ment du couteau et on a formation d'arcs électriques entre les électrodes.
A mesure que le couteau glisse, de nouveaux contacts se forment et le durcissement s'effectue tout le long de l'arête. Après échauffement, chaque point de l'arête vient en contact avec l'élec trolyte relativement froid et subit un refroi- dissement. Il suffit .de faire passer une ou deux fois., d'un mouvement lent, l'arête du couteau au-dessus de l'électrode 21 pour qu'elle soit complètement durcie.
Un léger affûtage, n'enlevant qu'une partie de la cou che superficielle formée, rendra ensuite son tranchant à l'arête.
Method and apparatus for the surface hardening of metal parts by electric current. The present invention comprises a process for the surface hardening of metal parts by electric current and an apparatus for carrying out this process.
The latter is characterized in that the part to be treated, forming an electrode, is subjected to carburizing with carbon and nitrogen coming at least in part from an electrolytic bath consisting of a solution of ammonia and a cyanide alkaline, each zone of the surface of the part to be treated being heated to a temperature close to the melting point by the discharge occurring between this zone and the electrolyte, then immediately cooled by the electrolyte itself,
the voltage between the electrodes being greater than 60 volts and the current density in the zone heated by the discharge being about 1 ampere per square centimeter.
By operating as has just been said, under the action of a voltage of 60 volts or more, electric arcs form crossing the thin gaseous layer which covers the part to be treated where the current density is highest . The part to be treated can act as a cathode; the electrolyte is advantageously maintained at a temperature a little above ordinary.
The surface of the part to be treated heats up under the effect of these arcs and the combustion of the gases present as such. than hydrogen, released by the calorific and electrolytic decomposition of the electrolyte. The metal of the workpiece surface thus heated will harden with the decomposition materials of the electrolyte and this carbon and nitrogen carburization results in surface hardening of the workpiece.
The anode, preferably formed of an unassailable conductor, for example a good retort tank, is easily surrounded by a <B> deposit </B> formed of metalloids deposited by the current. To remedy this, the anode can. either be shaken from time to time, or be animated by a rapid relative movement with respect to the electrolyte.
The part to be treated can also play the role of an anode: the heating discharge also occurs in this case.
The apparatus for carrying out the above-mentioned process comprises a receptacle arranged to be filled with an electrolytic bath consisting of a solution of ammonia and an alkali metal cyanide and provided with means making it possible to maintain this electrolytic bath at a desired temperature. , this receptacle containing an electrode forming part of the apparatus, sometimes advantageously formed at least in part of carbon, the other electrode being formed <I> mée </I> by the part to be treated,
the arrangement of the apparatus allowing relative translational movements with a view to starting from zone to zone of the. surface treated the phenomena of heating and cooling.
In the accompanying drawing, given by way of example: FIG. 1 is a schematic longitudinal section of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
Fig. 2 is a longitudinal section through an apparatus used for hardening the sharp edge of a knife.
Fig. 3 is a longitudinal section of a similar apparatus used for the same purpose. The apparatus of FIG. 1 comprises a container 1 of insulating material containing the elec trolyte 2 which is an ammonia solution, for example 25% ammonia, saturated with sodium cyanide, advantageously heated to 30--40 C.
The anode 3, which is here entirely made of carbon, has the shape of a hollow cylinder, in order to allow a regular distribution of the current lines all around the part to be treated 4 which forms the cathode in this example and is located more or less in the center of cylinder 3. The zone in which the carburizing effect occurs all around the part to be treated is indicated in fig. 1 by small arrows.
As the phenomenon described above occurs, there is heating of the electrolyte which can go above the desired degree; to remedy this drawback, an electrolyte refrigeration device has been provided. In fig. 1,
this positive is established so as to produce circulation of the electrolyte through tubes 5 and 6, circulation intended to maintain the electrolyte at the desired temperature.
The part to be treated 4 is surrounded by an insulating screen 7 with windows 8. A device (not shown) serves to impart a relative translational movement of the screen 7 and of the part 4, with a view to initiating zones in zones of alternating heating and cooling phenomena on the part to be treated,
to bring the latter, in these zones, to a temperature close to the melting point, then cool it again immediately afterwards, with the aim of obtaining, with the electrolytic bath formed by the solution of ammonia saturated with cyanide of sodium,
carburizing the workpiece with carbon and nitrogen, hardening the workpiece.
The wires for supplying the electric current to the electrodes are designated by 9 and 9 '. The applied voltage is greater than 60 volts and the current density in the. area heated by the discharge is approximately 1. ampere per square centimeter of area.
The outer surface of the part treated as said above takes on a greater hardness compared to the inner body of the part. In service,
the choices take place in such a way that as soon as the windows 8 arrive in front of a zone of the surface of the part 4, there is produced a jacket formed of gaseous products, crossed by electric macaws which heat the room. area in question and the surrounding portion of the electrolyte,
hence the formation of vapors maintaining said gas chimney. The heated zone moving by the relative movement of the part 4 and the screen 7 and the electrolyte coming back into contact with the heated zone,
heating will therefore be immediately followed by cooling. By repetition. relative movements of part 4 and screen 7,
each area of the surface can be alternately heated and cooled. These operations are accompanied by the release of materials of decomposition of the electrolyte which will produce, on contact with the heated zone of the part to be treated, a carbon and nitrogen cementation of this zone, and this only at the surface of the part, as proved by several practical tests.
It may be useful to increase the electrical conductivity of the electrolyte by the addition of carburizing inert salts.
The hardening obtained is very effective for tools with cutting edges. sharp edges such as: knives, scissors, blades, etc. In this case we will preferably act on the edge of the tool only, while the deep layers .du metal remain unchanged.
The apparatus shown in fig. 2 is constructed with a view to carrying out the method for this use. It comprises a container 10 which is firmly fixed to a bench 11 made of insulating material. A groove 12 is traced at the top of the bench 11 all along it. It is in this groove that the edge of the blade 14, of the knife 13 that is to be treated and which constitutes the cathode, is housed.
The anode 15 has a large surface area and is placed near the edge in a pocket made in the bench 11. We can see the positive wire 16 connected to the anode 15. Under these conditions the carburizing, indicated by the small arrows at sin, takes place only on the part of the edge 18 of the knife disposed vis-à-vis -de the anode. Elec trolyte 17 is, in this case also, a 25 <B>% </B> ammonia solution saturated with sodium cyanide. Once the phenomenon has started, all you have to do is remove the knife from the electrolyte, following the movement indicated by the arrow and taking care to let the edge of the knife slide into the groove 12.
An arrangement not shown in the drawing allows the bath to be held at the desired temperature.
An apparatus intended for the same purpose is shown in fig. 3. It comprises a reservoir 1.9 made of insulating material in which the cylinder-shaped electrode 21 is arranged, formed of a conductive composition containing carbon in the form of retort carbon or graphite and held securely by a support 20. The knife 22 constitutes the other electrode and is introduced so that its blade slides slightly on the electrode 21 and forms a bad contact 24 between the edge and said electrode 21, of which the wire 25 carrying the current can be seen on the side. Electrolyte 26 is preferably, in this case also, an ammonia solution saturated with sodium cyanide.
An arrangement not shown in the drawing makes it possible to maintain, here also, the bath at the desired temperature.
The hardening is carried out as follows: The knife forging, for example, the positive pole is introduced into the bath, allowing it to slide above the negative electrode 21. As soon as contact 24 is established between the edge of the knife and the electrode 21, the metal of the knife heats up and forms an alloy of the original metal with the carbon contained in the electrode 21 and with the nitrogen and carbon of the electrolyte 26. This contact imperfect is immediately broken by the sliding movement of the knife and there is formation of electric arcs between the electrodes.
As the knife slides, new contacts form and hardening takes place all along the edge. After heating, each point of the edge comes into contact with the relatively cold electrolyte and undergoes cooling. It suffices to pass once or twice, with a slow movement, the edge of the knife above the electrode 21 for it to be completely hardened.
A slight sharpening, removing only part of the formed surface layer, will then restore its edge to the edge.