Procédé et appareil pour le traitement thermique de pièces métalliques par l'électricité. La présente invention se rapporte au trai- tement par chauffage électrique de zones superficielles de pièces métalliques, comme par exemple des arbres ou -des plaques, en pro- duisant un mouvement relatif @de progression entre .la pièce et un dispositif inducteur @de courant électrique, par exemple un courant de haute fréquence, relié à une source,
de cou rant, le dispositif inducteur se trouvant à une distance appropriée de la pièce de manière à induire .des courants électriques de chauffage dans la surface de .cette,dernière, de sorte que .la surface chauffée peut être trempée après avoir été portée à la, température @de trempe.
La présente invention comprend un pro cédé et un appareil pour le traitement ther mique par des courants électriques induits !de pièces métalliques telle que .des rouleaux, arbres, tubes, poutres, rails, plaques, etc. et par lesquels .les caractéristiques physiques dé sirées ,dans les surfaces traitées à chaud de ces pièces peuvent être obtenues d'une manière appropriée.
On peut s'arranger @de sorte à provoquer non seulement le chauffage de la pièce à la température -de la trempe, mais aussi un pré chauffage de la pièce et/ou un chauffage après la trempe pour en modérer ou éliminer les tensions'.
Suivant le procédé de la présente inven tion, pour traiter thermiquement la ,surface d'une pièce et consistant à produire un mou vement relatif de progression entre la pièce et des inducteurs électriques connectés à une source de courant pour induire des courants .de chauffage dans la zone superficielle de la pièce, on produit un mouvement relatif de progression entre la pièce et au moins deux inducteurs indépendants, situés l'un @en:
avant de l'autredans la direction du mouvement de progression, -et du courant @du caractère et de ,l'intensité désirés est fourni aux inducteurs respectifs en vue de donner à la zone super ficielle les caractéristiques physiques désirées.
Pour traiter la zone superficielle d'une pièce en métal parle chauffage d'induction et la trempe, on peut produire un mouvement relatif de progression entre la pièce et deux inducteurs séparés situés l'un en avant de l'autre dans .la direction du mouvement de progression et alimentés chacun indépendam- mentd'un .courant de earaetère et d'intensité appropriés pendant ledit mouvement,
un in ducteur produisant un préchauffage de la pièce et l'autre étant un inducteur principal par :lequel la. zone superficielle de la pièce est élevée à la, température désirée pour la trempe, puis on trempe, à mesure de sa progression. ladite surface quand elle a. été chauffée par l'inducteur principal.
Pour traiter de cette façon une pièee métal lique ayant un épaulement ou une partie élar gie, on peut procéder de la façon suivante: On produit un mouvement relatif de pro gression entre la pièce et deux inducteurs séparés, situés l'un en avant de l'autre dans la. direction du mouvement de progression et fournit le courant à l'inducteur qui est le plus éloigné de la saillie ou partie élargie de la pièce, pendant le mouvement de progression.
pour produire un chauffage de. la, zone super- ficielle, puis tremper à mesure de sa progres sion la. zone superficielle chauffée, puis on fournit le courant au deuxième inducteur quand la. continuation du mouvement de pro gression est empêchée par la saillie ou partit élargie de la pièce, de manière à provoquer le chauffage de la. zone superficielle qui est adjacente :à ladite saillie ou partie élargie, puis on trempe cette même zone.
D'énergie appliquée pendant le chauffagr@ de la pièce antérieurement à. la, trempe, et le temps qui s'écoule entre ce chauffage el la trempe peuvent être réglés de manière<B>î à,</B> les caractéristiques physiques désirées dans les surfaces traitées par la. chaleur.
Aux dessins annexés, qui représentent, en partie schématiquement, des formes d'exécu- tion de dispositifs suivant l'invention: La fig. 1 est une élévation schématique, partiellement en coupe d'un dispositif suivant l'invention, destiné au traitement d'une pièce cylindrique de diamètre uniforme.
La fig. 2 est une coupe suivant la, ligne II-II de la. fig. 1 vue dans la direction des flèches. La fi-. 3 est une coupe schématique d'un dispositif similaire à celui de la fig. 1, mais représentant une disposition modifiée d'in dueteurs pour traiter une pièce ayant une partie en saillie oii de plus grand diamètre.
La fi,,-. 4 est une élévation, partiellement en coupe, montrant la disposition générale d'un dispositif automatique pour le traitement d'une pièce cylindrique de diamètre variable.
La fi,,-. 5 est une coupe suivant la ligne V--V de la fin 4.
<B>En</B> se référant < < la. fig. 1 des dessins, la pièce eylindrique 1(I à traiter est supportée par un organe de suspension 11, par exemple un càble ou une tige attaché à un aeillet 12 de manière à pouvoir être abaissé à. une vi tesse uniforme ou variable.
Une barre fixe 13 sert à guider la pièce dans la direction du mouvement, les bras 14 et 15 maintenant le cylindre en position déterminée relativement à la barre 13. Le cylindre est pourvu d'un prolongement 16 servant comme guide de sup port, tandis que la queue 17 de l'millet 12 sert (le guide pour l'extrémité opposée du cylindre. Ces supports étant en alignement permettant an cylindre de tourner quand un mouvement rotatif ou oscillant.
est commu niqué îi l'organe de suspension Il.
Les inducteurs de chauffage 18, 19 et 24 e1: l'élément (le trempe 21 sont fixés à la barre <B>13.</B> les inducteurs .sont, alimentés par un cou rant alternatif. Quand ces organes sont cor- rectenient, disposés entre eux et relativement à:
la pièce, le cylindre à traiter, alimentés avec la quantité correcte d'énergie -de chauffage et de réfrigérant, ces derniers étant appliqués dans le temps et le rapport appropriés à la pièce î1 traiter, ces organes permettent d'ap pliquer presque tous les traitements, thermi ques qui peuvent être désirés et compatibles avec la matière de la pièce.
Pans l'emploi du dispositif montré à la fi,,-. 1 et en sripposant qu'on veuille traiter sur toute sa longueur la, surface de la pièce cylindrique représentée, l'extrémité inférieure de la. pièce est tout d'abord amenée au-dessus de l'inducteur 18, et puis la. pièce est abaissée de façon à passer dans toute sa longueur à travers le groupe entier des inducteurs et de l'oi;
gane de trempe. L'inducteur 18 est ordi nairement alimenté avec un courant de basse fréquence, tel que celui qui est employé dans les circuits d'éclairage, bien qu'il puisse éga lement recevoir un courant de haute fré quence, et il sert comme moyen,de chauffage préliminaire uniquement pour le métal de la surface du cylindre au fur et à mesure que celui-ci pénètre dans le groupe d'inducteurs et l'organe de trempe. On peut cependant, sous eertaines conditions, faire .abstraction de l'usage de l'inducteur de chauffage prélimi naire.
La partie de la surface qui est ainsi préalablement chauffée pénètre alors dans l'inducteur 19 préférablement à refroidisse ment d'eau et qui -est,de préférence alimenté avec un courant d'une fréquence sensiblement plus élevée que 60 périodes et ladite surface est amenée à une température relativement élevée avant d'émerger de ce dernier induc teur 19.
La partie .de la surface ainsi chauffée traverse l'écran isolant 20 et entre alors dans la bague circulaire de trempe 21 d'où le fluide de trempe est projeté vigoureusement sur la surface chauffée par des orifices 22 qui sont dirigés de manière à empêcher le fluide de prendre une direction ascendante et de passer au-dessus du bord,d-e l'écran 20.
Le cylindre continuant à descendre, la partie trempée traverse la bague d'écran 23 et pénètre dans l'inducteur 24 qui chauffe de nouveau la surface -de la pièce à tout degré désiré, après quoi on la laisse se refroidir à l'air ou dans toute autre atmosphère. D'ans le cas d'une matière ferreuse, cette dernière opé ration recuit la surface durcie par le chauf fage précédent et réduit ou élimine les ten sions dans la.
pièce. La queue 17 .de l'oeillet de support -est d'une longueur suffisante pour permettre .au bord supérieur du cylindre de traverser complètement la bague de recuit 24 avant que le bras 14 n'atteigne l'inducteur 18.
Le procédé qui vient d'être ,décrit est par ticulièrement applicable pour des pièces en acier ayant une teneur approximative de car- bone de 0,35 ou davantage, et il produira une zone de surface d'une dureté pratiquement uniforme et exempte de tensions préjudicia= blés qui auraient pu se produire pendant le procédé de la trempe, et en outre sensiblement exempte de certaines autres tensions- qui au raient pu exister antérieurement à la trempe.
Les pièces faites d'une grande variété de matières différentes, tant métalliques que non métalliques, réagissent différemment quand elles sont soumises à ce procédé. Par exemple, les articles en cuivre, en laiton. ou en bronze peuvent être sensiblement adoucis ou recuits par le chauffage et la trempe ultérieure, dé crits plus haut.
Suivant la matière de la pièce et les résultats qu'on désire obtenir, on peut omettre l'emploi soit de l'inducteur de chauf fage préalable 18, soit de l'inducteur @de, re cuit 24.
La vitesse avec laquelle la pièce traverse l'inducteur 19 ,doit être réglée de manière qu'avec une énergie donnée dans l'inducteur la température de la zone superficielle !de la pièce soit suffisamment élevée au-dessus ,de la température critique pour permettre le :dur cissement par la trempe quand la surface chauffée traverse l'espace de trempe en face de l'organe 22.
Le procédé décrit peut également servir pour le traitement de pièces non cylindriques, par exemple, des barres ou plaques que l'on désire durcir entièrement ou sur une partie seulement de .l'une ou des deux faces, ou -de rails de chemins de fer dont la surface supé rieure doit être trempée.
Le chauffage préalable par .l'inducteur 18 sera, dans certains cas, désirable comme un moyen permettant ,d'élever la température -de la zone superficielle de manière à réduire la quantité de chaleur à appliquer par l'induc teur principal 19 en vue .d'atteindre la tempé rature de trempe.
Ce chauffage préalable étant porté à un point où la température est un peu au-dessus de la température :critique aura, dans de nombreux cas, un effet -gran dement avantageux en raison de l'améliora- tion de la structure métallurgique de la ma tière.
Il :a été reconnu, i clans @de nombreuses circonstances, que les pièce ainsi chauffées préalablement donnent des résultats bien su- périeurs, après le durcissement par le chauf fage et la trempe, à ceux qui peuvent, être obtenus avec les mêmes pièces et le même procédé mais dans lequel le chauffage préli minaire est omis.
L'énergie appliquée pour le chauffage et le temps qui s'écoule entre le chauffage et la trempe peuvent être réglés de manière à produire les caractéristiques physiques -désirées dans les surfaces traitées par la chaleur. C'est ainsi qu'il est parfois hautement désirable de chauffer à une tempé rature un peu .au-dessus de la température cri tique .et de laisser passer un certain laps de temps entre le chauffage et la trempe pour que le changement métallurgique puisse s'ef fectuer :avant que la. trempe soit appliquée.
Ce résultat est facilement atteint au moyen du dispositif suivant l'invention en réglant l'énergie fournie à l'inducteur et en écartant l'organe de trempe de l'inducteur de manière à obtenir l'intervalle -de temps nécessaire entre le chauffage et la trempe.
Le dispositif suivant la. fig. 1 est particu lièrement adapté pour les articles de forme régulière, tels que les cylindres & laminoirs. Ces derniers sont souvent de telles dimensions que la consommation d'énergie serait exces sive si l'on voulait tenter de les chauffer dans toute .leur longueur à la fois. Le procédé dé crit permet le traitement thermique de ces pièces avec une consommation comparative ment faible d'énergie.
Quand on désire traiter à la chaleur un arbre 31 ayant une partie d'un plus grand diamètre, comme représenté à la. fig. 3, on se sert d'un dispositif avec des inducteurs dif férant de ceux décrits précédemment. Dans cette figure, les moyens de commande et de guida-, e du cylindre ne sont pas représentés, mais ils peuvent être semblables à ceux de la fig. 1.
Dans le dispositif de la fig. 3, l'induc teur supérieur 25 possède en 26 une telle forme que le chauffage de la face 27 de l'épaulement soit réduite autant que possible quand celui-ci vient dans sa position la plus rapprochée de cet inducteur. L'inducteur 25 possède une chambre annulaire intérieure 28 et une chambre annulaire extérieure 29.
La chambre annulaire intérieure porte le fluide de trempe et. la paroi circulaire interne est pourvue de perforations 30 pour la projection du fluide sur ,les parois de l'arbre 31. La chambre circulaire extérieure 29 sert comme enveloppe de refroidissement pour l'inducteur lui-même.
Au-dessous de l'inducteur 25 mais séparé de lui par la rondelle isolante 33 se trouve l'inducteur 34. Immédiatement au-dessous de l'inducteur 34 est la bague isolante de protec tion 35 qui sert aussi comme espacement pour la bague circulaire de trempe 36.
Comme les deux inducteurs 25 et 34 donnent simultané- rnent de la chaleur pour la surface de la partie cylindrique 31, le chauffage de cette surface progresse au fur et à mesure que cette partie cylindrique 31. se déplace par rapport aux inducteurs, la température de la surface du cylindre étant à :son minimum au point d'en trée dans l'inducteur supérieur, et à son maxi mum contre la bague isolante 35.
Par le ré glage des admissions relatives d'énergie dans les deux inducteurs au moment où la surface 2 7 de l'épaulement atteint sa position limite relativement à l'inducteur 25, le rapport de chauffage par l'inducteur 34 est réduit et celui de l'inducteur 25 est augmenté, de sorte que, pendant un court intervalle pendant lequel le mouvement axial du cylindre 31 est arrêté, le chauffage est réparti d'une manière pratiquement uniforme sur toute la surface qui est renfermée par les inducteurs.
A la fin de cet intervalle de chauffage, le fluide de trempe est projeté sur cette surface, par des orifices 30, et la surface totale est ainsi chauffée et trempée pour produire des pro priétés physiques pratiquement uniformes.
En vue d'utiliser la chambre 28 comme che mise d'eau de refroidissement, un système de soupapes peut être prévu pour commander l'écoulement à travers les orifices 30 qui res tent fermés pendant l'intervalle de chauffage mais s'ouvrent sous une augmentation subite de pression qui se produit au moment désiré pour la trempe.
La partie principale de l'arbre peut être chauffée et trempée à mesure de sa progres- sion par l'inducteur principal 34 jusqu'au point où .l'inducteur 25 s'approche étroitement de la face 27 de l'épaulement et où le courant est fourni<B>à</B> l'inducteur 25 de manière à chauf fer la zone adjacente à l'épaulement.
Alors, une énergie suffisante est fournie à l'induc teur principal 34 pour :amener les surfaces adjacentes i de la pièce à la température criti que et pour maintenir cette température jus- qu'à, l'application de la trempe. La surface de la pièce -au-dessus de l'organe de trempe 36 et au-dessous de lasurface 27 de l'épaule ment ayant atteint la température de trempe, est trempée par le fluide déchargé par les ouvertures 30 de l'inducteur 25,
une pression suffisante étant employ ée pour la trempe en vue de refouler le fluide .entre l'arbre et les, deux inducteurs 25 et 34.
La trempe -de la surface renfermée par les inducteurs 25 et 34 est facilitée par le fait que l'écran 35 est fabriqué en une ma tière flexible, de sorte que, sous la pression, son bord supérieur cédera en permettant au fluide de trempe de descendre le long de l'arbre aussi 'bien qu'au-dessus et extérieure ment autour de la partie 26,de l'inducteur 25.
Comme on désire fréquemment traiter des. pièces cylindriques ayant des parties coni ques ou d'une forme modifiée, et de pouvoir appliquer ce traitement @à @de brandes quan tités de mêmes pièces, un dispositif automa tique de chauffage et,de trempe est désirable. ITn tel dispositif est représenté dans la fig. 4. Dans ce ,dispositif, la pièce cylindrique 45 à traiter est fixée à l'arbre fileté 47 .de manière à s'y trouver suspendue et à pouvoir tourner avec lui.
L'extrémité inférieure du cylindre 45 est centrée sur une pointe 48 pour éviter tout mouvement excentrique. Une roue den tée 49 est fixée à .l'extrémité supérieure de l'arbre fileté 47. La roue,dentée 49 engrène avec une roue dentée 50 de longueur axiale suffisante pour permettre son engagement avec ,ladite roue 49 sur toute la longueur :du chemin axial de cette dernière. La roue,dentée 50 est portée par un arbre 51 sur lequel est calée la roue hélicoïdale 52.
La vis sans fin 53, en engagement avec la roue 52, est com- mandée par un moteur (non représenté) monté sur le bâti du dispositif. L'arbre fileté 47 traverse un manchon 54 qui est pourvu d'un pas de vis extérieur vissé en 55 dans .le bâti du dispositif ainsi que d'un filetage intérieur pour son engagement avec .l'arbre 47.
Les pas des filetages interne et externe @du manchon 54 sont différents @de .manière à produire des vitesses différentes du mouvement axial de la pièce 45 suivant que le manchon 54 est maintenu fixe par un frein à friction (non représenté) ou .que la goupille d'arrêt 56 est venue en engagement avec le manchon et oblige celui-ci à tourner avec l'arbre en sur montant ainsi la résistance du frein. La, gou pille d'arrêt 56 peut être déplacée dans une autre position, comme en 56' pour changer la position où commence une vitesse différente de mouvement axial.
Quand le mécanisme, commandé par moteur, décrit ci-dessus! fait descendre l'arbre fileté 47 partant la pièce 45, la chape 57, fixée à la barre de guidage 58 et en engage ment avec une rainure annulaire d'un collier 59 à l'extrémité inférieure de l'arbre fileté 47, fait également descendre cette barre @de guidage avec la pièce 45 et, par la lunette 60 portée par l'extrémité inférieure de cette barre, .maintient la pointe 48 en engagement avec la pièce 45,
en assurant ainsi le mouve ment axial concentrique du cylindre.
Les inducteurs 64 et 65 sont supportés dans la partie inférieure du dispositif par le bloc -de guidage 62 supporté sur le bâti 63. Chacun de ces inducteurs est composé -de sec tions 66, 67 et 68 (fig. 5). La barre de gui- dae 58 maintient la section 66 en position correcte, et d'autres barres de guidage 69 et 70 maintiennent les autres sections en posi tion de fonctionnement relativement à la pièce 45.
Chacune de ces barres @de guidage est pourvue d'une came 71 s'étendant .axiale- ment pour amener sa section d'engagement de l'inducteur ,à se mouvoir radialement rela tivement à la pièce, quand celle-ci se déplace de manière à maintenir un intervalle à peu près constant entre la section et toute partie conique ou irrégulière de la pièce, la. came étant conformée pour correspondre à, la forme de la pièce.
Les barres de guidage ayant une section rectangulaire empêchent les sections de l'inducteur de tourner et ne permettent qu'un mouvement radial relativement à la pièce. Ces. barres de guidage sont isolées des inducteurs et pourvues de cales de pression 72 ainsi que de ressorts guidés 73 pour main tenir .les inducteurs en contact avec les cames. Chacune des sections d'inducteur possède une, partie 74 conformée pour venir en engrige- ment correct avec sa. came de commande.
Les sections .d'inducteurs 66, 67 et 68 sont pourvues de parties 75 et 76 s'eubageant: mutuellement et qui assurent une forme pra tiquement continue, ainsi que de conducteurs :
souples en 77 et<B>78.</B> Les faces intérieures des sections sont, comme en 79, d'une forme qui se rapproche autant que possible de la forme moyenne de la. partie conique ou autre de la, pièce traitée, -de sorte que le chauffage sera à, peu prés uniforme autour de sa péri- phérie, la. rotation de la, pièce pendant sa période de chauffage compensant tout manque d'uniformité qui pourrait exister autrement.
Les moyens d'alimentation en fluide de refroidissement et de trempe sont représentés à la. fib. 4. Ire fluide pour l'inducteur infé rieur est amené depuis ,le tube 88 par la sou pape 89 et le tube 90. Similairement, le fluide arrivant du tube 91 est amené à l'inducteur supérieur par la- soupape 92 et le tube 93.
C n bras 94 de la. lunette 60 peut venir en engagement avec les leviers 95 et 96 des soupapes au fur et à. mesure- de .la. descente de cette lunette pendant l'opération, en fer mant ainsi tout d'abord la. soupape 89 et en ouvrant ultérieurement. la. soupape 92 après que .l'épaulement 9 7 .de la. pièce s'est appro ché suffisamment de l'inducteur 64 et que la surface de la pièce, qui est adjacente à l'épau lement, a été suffisamment chauffée.
Comme indiqué â la. fig. 4, le courant est amené aux inducteurs par les conducteurs 98 et 99 connectés aux enroulements secondaires 100 et 101 formées d'une seule spire, d'un transformateur fournissant de préférence du courant de haute fréquence. L & courant pri maire est fourni par un générateur approprié connecté à l'enroulement primaire 102 par .les conducteurs 1.03 et 104.
Les enroulements se condaires 100 et 101, constitués par des barres ou des tubes épris en cuivre sont fixés au transformateur, tandis que l'enroulement primaire 102 peut être déplacé axialement au moyen du levier 105 s'engageant avec le collier 106 fixé au support 107 de l'enroule ment 102. Le moaivement axial de l'enroule ment primaire influence le courant induit dans les enroulements ,secondaires et permet (le varier ainsi la puissance fournie â ces élé ments.
Par le déplacement de l'enroulement primaire, le courant amené à l'inducteur .infé rieur 65 petit être réduit, et celui qui est amené à, l'inducteur supérieur, augmenté. Par tin déplacement suffisant de l'enroulement primaire, le courant dans l'enroulement 11)1 peut être réduit pratiquement à zéro,
et ce mouvement de l'enroulement primaire peut ainsi servir à exciter ou désexciter l'un ou l'autre .des circuits secondaires. De cette ma nière se trouve obtenue une variation pratique et très rapide du courant dans les inducteurs 64 et 65 .sans formation d'arc d'interruption et sans aucun trouble sérieux :
dans .les cir cuits, ce qui permet d'augmenter le rapport de chauffage par l'inducteur 64 quand l'épau lement 9 7 s'approche de cet inducteur, et de réduire simultanément l'effet de chauffage de l'inducteur 65, en. rendant possible, de cette manière, un chauffage et une trempe uni forme de la partie. cylindrique et conique totale de la. pièce à traiter.
Dans le but de rendre automatique le réglage du transformateur, le levier 105 pivo tant en 108 sur un bras 109 -du bâti du .dispo sitif peut venir en prise avec l'extrémité 1.10 de la chape 57 quand la pièce est abaissée, et soulève ainsi l'enroulement primaire 102 à la vitesse désirée.
En rendant réglable l'extrémité 111 du levier 105 ou bien en pré voyant deus moyens de réglage à l'extrémité 1.10 de la chape, le réglage et la vitesse du mouvement de l'enroulement primaire et, de là, .les courants secondaires sont commandés commodément et avec précision.
Certaines variations .dans las forme et l'étendue des surfaces à tremper de la pièce 45 peuvent exiger des moyens de commande encore: plus exacts et susceptibles d'un ré <B>glage</B> d'une plus grande sensibilité que ceux qui sont donnés par le mouvement de .l'enrou lement primaire 102.
A cet effet est prévue une commande automatique qui règle l'éner gie totale transmise au primaire du transfor mateur 101, 102. Cette commande comprend la came 112 interchangeable et réglable sur l'arbre 113. L'arbre 118 est commandé par la roue .d'engrenage 114, celle-ci étant action née par la crémaillère 115 formée d'une seule pièce avec la barre de guidage 58 ou fixée sur elle, cette barre se déplaçant à la même vitesse que la pièce à tremper.
La rotation de la .came 112 provoque un déplacement du piston 116 dans le support 117 en compri mant le ressort de rappel 118 pendant que la tige 119 fait osciller le levier 120 porté par l'arbre 121.
Pendant le mouvement du levier 120, son extrémité 122 se déplace :en contact avec le rhéostat 128 et fait varier ainsi l'exci tation de l'excitatrice 124 qui, en alimentant l'enroulement excitateur 125 :du générateur 126, fait varier l'énergie -débité:, aux conduc teurs 103 et 104, reliés à l'enroulement pri- maire 102.
On comprendra que la calme 112 sera formée et réglée :de manière que l'énergie fournie aux inducteurs puisse être variée et commandée pour maintenir .correctement la vitesse et l'intensité de chauffage, même si les dimensions ou la forme -de la sui-face<B>à</B> chauffer de la pièce 45 :changeaient constam ment.
Dans certaines applications du :dispositif décrit, il peut être désirable :de renfermer le mécanisme ou certaines de ses parties. Dans ce cas, le bâti du dispositif peut être déve loppé comme représenté en pointillé en 126'. On comprendra. qu'un bâti :de ce .genre peut renfermer le transformateur et les inducteurs aussi bien que les autres parties du méca nisme.
Par le procédé décrit .ci-dessus, le chauffage est si rapide et, par l'emploi d'une source :d'alimentation électrique d'une Éré- quence suffisamment élevée, peut être limité à une zone si étroite que la zone chauffée peut être trempée et refroidie presque instan tanément, de sorte qu'en utilisant un acier de caractéristiques et de composition appropriées, on peut obtenir pratiquement tout degré de dureté désiré.
De plus, le chauffage et le refroidissement s'opèrent :à une telle vitesse que, pratiquement, aucune ferrite libre ne se forme dans la surface :de liaison entre la zone durcie et le noyau; de sorte qu'on obtient le maximum de résistance avec élimination @d:es fissures ou ruptures .de la zone durcie.
Il est bien connu que, lorsqu'une pièce a été durcie par .le chauffage et la trempe immédiate- et complète de manière à .donner une extrême dureté, de fortes tensions se produisent qui, si elles ne sont pas dûment réduites par le recuit ou d'adoucissement, -se transforment en gerçures :ou fentes qui s'augmentent gra duellement, :
détériorent la surface et occasion nent souvent la rupture complète,de la pièce. Les effets nuisibles résultant kles tensions créées pendant la trempe d'une pièce s'aug mentent considérablement pendant le temps qui s'écoule entre .la trempe et les opéràtions de recuit. Si ce dernier est correctement fait aussitôt après la trempe, les effets préjudi ciables .des tensions de cette dernière devien nent pratiquement négligeables.
Dans le procédé,décrit, .des moyens sont prévus par lesquels ce recuit peut être exécuté rapidement et économiquement aussitôt après que la pièce a été durcie, le recuit s'effectuant à mesure dé sa progression au fur et à me sure -de la trempe -et annihilant pratiquement les :effets nuisibles qui, autrement, résu .lte- raîent ,des tensions :de la trempe.
Ce procédé peut être également utile dans le traitement des métaux non ferreux, bien que les résultats puissent être entièrement -dif férents:. Par exemple, dans la fabrication des articles en cuivre ou en alliages comportant du cuivre, il peut être employé pour le recuit en profondeur partielle ou totale de la, pièce, y compris les recuits intermédiaires entre les pas:see de travail.
Method and apparatus for the heat treatment of metal parts by electricity. The present invention relates to the treatment by electric heating of surface areas of metal parts, such as for example shafts or plates, producing a relative progression movement between the part and a current inducing device. electrical, for example a high frequency current, connected to a source,
current, the inductor device being at an appropriate distance from the workpiece so as to induce electric heating currents in the surface thereof, so that .the heated surface can be quenched after being brought to. the quenching temperature.
The present invention comprises a process and an apparatus for the thermal treatment by induced electric currents of metal parts such as rollers, shafts, tubes, beams, rails, plates, etc. and whereby the desired physical characteristics in the heat treated surfaces of these parts can be suitably obtained.
It is possible to arrange this so as to cause not only the heating of the part to the temperature of the quenching, but also a preheating of the part and / or a heating after the quenching in order to moderate or eliminate the tensions.
According to the method of the present invention, for heat treating the surface of a part and consisting in producing a relative advancing movement between the part and electrical inductors connected to a current source for inducing heating currents in the part. the surface area of the part, a relative progression movement is produced between the part and at least two independent inductors, located one @en:
ahead of the other in the direction of advancing movement, and current of the desired character and intensity, is supplied to the respective inductors in order to give the surface area the desired physical characteristics.
To treat the surface area of a metal part by induction heating and quenching, a relative advancing movement can be produced between the part and two separate inductors located one in front of the other in the direction of. movement of progression and each supplied independently of a current of appropriate range and intensity during said movement,
one inductor producing a preheating of the part and the other being a main inductor through which the. surface area of the part is raised to the desired temperature for quenching, then quenching, as it progresses. said surface when it has. been heated by the main inductor.
To treat in this way a lique metal part having a shoulder or a widened part, one can proceed in the following way: One produces a relative movement of progression between the part and two separate inductors, located one in front of the 'other in the. direction of the advancing movement and supplies current to the inductor which is furthest from the protrusion or enlarged part of the part, during the advancing movement.
to produce a heating of. the superficial zone, then soak as it progresses. heated surface zone, then the current is supplied to the second inductor when the. continuation of the forward movement is prevented by the protrusion or widened part of the part, so as to cause the heating of the. surface zone which is adjacent: to said projection or widened part, then this same zone is quenched.
Of energy applied during the heating of the room before. The quenching, and the time elapsing between this heating and the quenching, can be adjusted to <B> î to, </B> the desired physical characteristics in the surfaces treated by the. heat.
In the accompanying drawings, which show, in part schematically, embodiments of devices according to the invention: FIG. 1 is a schematic elevation, partially in section, of a device according to the invention, intended for the treatment of a cylindrical part of uniform diameter.
Fig. 2 is a section along the line II-II of the. fig. 1 view in the direction of the arrows. The fi-. 3 is a schematic sectional view of a device similar to that of FIG. 1, but showing a modified arrangement of inductors to process a workpiece having a protruding portion oii of larger diameter.
The fi ,, -. 4 is an elevation, partially in section, showing the general arrangement of an automatic device for the treatment of a cylindrical part of variable diameter.
The fi ,, -. 5 is a section along the line V - V of the end 4.
<B> In </B> referring to <<the. fig. 1 of the drawings, the cylindrical part 1 (I to be treated is supported by a suspension member 11, for example a cable or a rod attached to an eyelet 12 so that it can be lowered at a uniform or variable speed.
A fixed bar 13 serves to guide the workpiece in the direction of movement, the arms 14 and 15 maintaining the cylinder in a determined position relative to the bar 13. The cylinder is provided with an extension 16 serving as a support guide, while the tail 17 of the millet 12 serves as the guide for the opposite end of the cylinder. These supports being in alignment allowing the cylinder to rotate under a rotary or oscillating motion.
is communicated îi the suspension member II.
The heating inductors 18, 19 and 24 e1: the element (the quenching 21 are fixed to the bar <B> 13. </B> the inductors. Are supplied by an alternating current. When these organs are cor- rectenient, arranged among themselves and relatively to:
the part, the cylinder to be treated, supplied with the correct amount of energy - heating and refrigerant, the latter being applied in the time and ratio appropriate to the part to be treated, these devices allow the application of almost any treatments, thermal which may be desired and compatible with the material of the part.
Pans use of the device shown at fi ,, -. 1 and sripposant that we want to treat over its entire length the surface of the cylindrical part shown, the lower end of the. part is first brought above inductor 18, and then. piece is lowered so as to pass its entire length through the entire group of inductors and the oi;
quenching gane. The inductor 18 is ordinarily supplied with a low frequency current, such as that employed in lighting circuits, although it can also receive a high frequency current, and it serves as a means, of preliminary heating only for the metal of the cylinder surface as it enters the inductor group and the quench member. However, under certain conditions, it is possible to disregard the use of the preliminary heating inductor.
The part of the surface which is thus previously heated then penetrates into the inductor 19, preferably with water cooling and which is preferably supplied with a current of a frequency substantially higher than 60 periods and said surface is supplied at a relatively high temperature before emerging from the latter inducer 19.
The portion of the surface thus heated passes through the insulating screen 20 and then enters the circular quench ring 21 from where the quench fluid is vigorously projected onto the heated surface through orifices 22 which are directed so as to prevent the quenching. fluid to take an upward direction and pass over the edge, screen 20.
As the cylinder continues to descend, the hardened part passes through screen ring 23 and enters inductor 24 which again heats the workpiece surface to any desired degree, after which it is allowed to cool in air or in any other atmosphere. In the case of a ferrous material, this last operation anneals the surface hardened by the previous heating and reduces or eliminates the tensions in the.
room. The tail 17 of the support eyelet is of sufficient length to allow the upper edge of the cylinder to pass completely through the annealing ring 24 before the arm 14 reaches the inductor 18.
The process just described is particularly applicable for steel parts having an approximate carbon content of 0.35 or more, and it will produce a surface area of substantially uniform hardness and free of stress. damage which may have occurred during the quenching process, and furthermore substantially free of certain other stresses which may have existed prior to the quenching.
Parts made of a wide variety of different materials, both metallic and non-metallic, react differently when subjected to this process. For example, articles made of copper, brass. or bronze can be substantially softened or annealed by the heating and subsequent quenching, described above.
Depending on the material of the part and the desired results, it is possible to omit the use of either the pre-heating inductor 18 or the re-fired inductor 24.
The speed with which the part passes through the inductor 19 must be adjusted so that with a given energy in the inductor the temperature of the surface area! Of the part is sufficiently high above the critical temperature to allow le: quench hardening when the heated surface passes through the quench space in front of member 22.
The method described can also be used for the treatment of non-cylindrical parts, for example, bars or plates which it is desired to harden entirely or on only a part of one or both sides, or -de rails of tracks. iron whose upper surface must be hardened.
Preheating by inductor 18 will in some cases be desirable as a means of raising the temperature of the surface area so as to reduce the amount of heat to be applied by main inductor 19 in view of . to reach the quenching temperature.
This preheating being brought to a point where the temperature is a little above the critical temperature will, in many cases, have a greatly advantageous effect owing to the improvement in the metallurgical structure of the ma third.
It: has been recognized, in many circumstances, that parts thus preheated give much better results, after hardening by heating and quenching, than those which can be obtained with the same parts and the same process but in which the preliminary heating is omitted.
The energy applied for heating and the time between heating and quenching can be adjusted to produce the desired physical characteristics in the heat treated surfaces. Thus, it is sometimes highly desirable to heat to a temperature somewhat above the critical temperature and to allow a certain period of time to pass between heating and quenching for the metallurgical change to take place. to be carried out: before the. quench is applied.
This result is easily achieved by means of the device according to the invention by adjusting the energy supplied to the inductor and by moving the quenching member away from the inductor so as to obtain the necessary time interval between heating and quenching.
The device according to the. fig. 1 is particularly suitable for articles of regular shape, such as rolls & rolling mills. These are often of such dimensions that the energy consumption would be excessive if one wanted to attempt to heat them throughout their length at once. The method described allows the heat treatment of these parts with comparatively low energy consumption.
When it is desired to heat treat a shaft 31 having a portion of a larger diameter, as shown in. fig. 3, a device is used with inductors different from those described above. In this figure, the means for controlling and guiding the cylinder are not shown, but they may be similar to those of FIG. 1.
In the device of FIG. 3, the upper inductor 25 has at 26 such a shape that the heating of the face 27 of the shoulder is reduced as much as possible when the latter comes into its position closest to this inductor. Inductor 25 has an inner annular chamber 28 and an outer annular chamber 29.
The inner annular chamber carries the quench fluid and. the inner circular wall is provided with perforations 30 for the projection of the fluid onto the walls of the shaft 31. The outer circular chamber 29 serves as a cooling envelope for the inductor itself.
Below inductor 25 but separated from it by insulating washer 33 is inductor 34. Immediately below inductor 34 is protective insulating ring 35 which also serves as the spacing for the circular ring. quenching 36.
As the two inductors 25 and 34 simultaneously give heat to the surface of the cylindrical part 31, the heating of this surface progresses as this cylindrical part 31 moves relative to the inductors, the temperature of the surface of the cylinder being at: its minimum at the entry point into the upper inductor, and at its maximum against the insulating ring 35.
By adjusting the relative energy admissions into the two inductors at the moment when the surface 27 of the shoulder reaches its limit position relative to the inductor 25, the heating ratio by the inductor 34 is reduced and that of inductor 25 is increased so that, during a short interval during which the axial movement of cylinder 31 is stopped, the heat is distributed in a substantially uniform manner over the entire surface which is enclosed by the inductors.
At the end of this heating interval, the quench fluid is sprayed onto this surface, through orifices 30, and the entire surface is thus heated and quenched to produce substantially uniform physical properties.
In order to use the chamber 28 as a cooling water duct, a valve system can be provided to control the flow through the ports 30 which remain closed during the heating interval but open under a pressure. sudden increase in pressure which occurs at the desired time for quenching.
The main part of the shaft may be heated and quenched as it progresses through the main inductor 34 to the point where the inductor 25 closely approaches the face 27 of the shoulder and the Current is supplied <B> to </B> inductor 25 so as to heat the area adjacent to the shoulder.
Then, sufficient energy is supplied to the main inductor 34 to: bring the adjacent surfaces i of the part to the critical temperature and to maintain this temperature until the application of the quench. The surface of the workpiece above the quenching member 36 and below the surface 27 of the shoulder having reached the quenching temperature is quenched by the fluid discharged through the openings 30 of the inductor 25. ,
sufficient pressure being employed for the quenching to force the fluid between the shaft and the two inductors 25 and 34.
Tempering of the surface enclosed by inductors 25 and 34 is facilitated by the fact that shield 35 is made of a flexible material so that, under pressure, its top edge will give way allowing the quench fluid to release. descend along the shaft as well as over and outwardly around part 26, of inductor 25.
As it is frequently desired to treat. cylindrical parts having conical parts or of a modified shape, and being able to apply this treatment to all quantities of the same parts, an automatic heating and quenching device is desirable. Such a device is shown in FIG. 4. In this device, the cylindrical part 45 to be treated is fixed to the threaded shaft 47 so as to be suspended therein and to be able to rotate with it.
The lower end of cylinder 45 is centered on a point 48 to prevent eccentric movement. A toothed wheel 49 is fixed to the upper end of the threaded shaft 47. The toothed wheel 49 meshes with a toothed wheel 50 of sufficient axial length to allow its engagement with said wheel 49 over the entire length of: axial path of the latter. The toothed wheel 50 is carried by a shaft 51 on which the helical wheel 52 is wedged.
The worm 53, in engagement with the wheel 52, is controlled by a motor (not shown) mounted on the frame of the device. The threaded shaft 47 passes through a sleeve 54 which is provided with an external screw thread screwed at 55 into the frame of the device as well as an internal thread for its engagement with the shaft 47.
The pitches of the internal and external threads of the sleeve 54 are different in terms of producing different speeds of the axial movement of the part 45 depending on whether the sleeve 54 is held stationary by a friction brake (not shown) or. stop pin 56 has come into engagement with the sleeve and forces the latter to rotate with the shaft, thereby increasing the resistance of the brake. The stop pin 56 can be moved to another position, such as 56 'to change the position where a different rate of axial movement begins.
When the mechanism, driven by motor, described above! lowers the threaded shaft 47 starting from the part 45, the yoke 57, fixed to the guide bar 58 and in engagement with an annular groove of a collar 59 at the lower end of the threaded shaft 47, also makes lower this guide bar with the part 45 and, by the bezel 60 carried by the lower end of this bar, maintains the tip 48 in engagement with the part 45,
thus ensuring the concentric axial movement of the cylinder.
The inductors 64 and 65 are supported in the lower part of the device by the guide block 62 supported on the frame 63. Each of these inductors is composed of sections 66, 67 and 68 (FIG. 5). Guide bar 58 holds section 66 in the correct position, and other guide bars 69 and 70 keep other sections in operating position relative to part 45.
Each of these guide bars is provided with an axially extending cam 71 to cause its inductor engagement section to move radially relative to the workpiece as the workpiece moves. so as to maintain an approximately constant interval between the section and any conical or irregular part of the part, the. cam being shaped to match, the shape of the part.
Guide bars having a rectangular cross section prevent the inductor sections from rotating and only allow radial movement relative to the workpiece. These. Guide bars are isolated from the inductors and provided with pressure wedges 72 as well as guided springs 73 to keep the inductors in contact with the cams. Each of the inductor sections has a portion 74 shaped to properly mesh with its. control cam.
The inductor sections 66, 67 and 68 are provided with parts 75 and 76 which are mutually bonded and which ensure a practically continuous shape, as well as with conductors:
flexible in 77 and <B> 78. </B> The internal faces of the sections are, as in 79, of a shape which approximates as much as possible to the average shape of the. conical or other part of the treated part, so that the heating will be more or less uniform around its periphery, the. rotation of the part during its heating period compensating for any lack of uniformity that might otherwise exist.
The cooling and quenching fluid supply means are shown in. fib. 4. Fluid for the lower inductor is supplied from there, tube 88 through valve 89 and tube 90. Similarly, fluid arriving from tube 91 is supplied to the upper inductor through valve 92 and tube. 93.
C n arm 94 of the. bezel 60 can come into engagement with levers 95 and 96 of the valves as and when. measure- of .the. descent of this telescope during the operation, in iron mant thus first of all. valve 89 and opening subsequently. the. valve 92 after .the shoulder 9 7 .of the. the workpiece has approached sufficiently to inductor 64 and the workpiece surface, which is adjacent to the shoulder, has been sufficiently heated.
As indicated in the. fig. 4, the current is supplied to the inductors by the conductors 98 and 99 connected to the secondary windings 100 and 101 formed of a single turn, of a transformer preferably supplying high frequency current. The primary current is supplied by a suitable generator connected to the primary winding 102 by the conductors 1.03 and 104.
The secondary windings 100 and 101, formed by bars or tubes infested with copper are fixed to the transformer, while the primary winding 102 can be moved axially by means of the lever 105 engaging with the collar 106 fixed to the support 107 of the winding 102. The axial movement of the primary winding influences the current induced in the secondary windings and allows (thus vary the power supplied to these elements.
By moving the primary winding, the current supplied to the lower inductor 65 may be reduced, and that supplied to the upper inductor, increased. By sufficient displacement of the primary winding, the current in the winding 11) 1 can be reduced to practically zero,
and this movement of the primary winding can thus serve to excite or de-energize one or the other of the secondary circuits. In this way, a practical and very rapid variation of the current in inductors 64 and 65 is obtained without forming an interrupting arc and without any serious disturbance:
in .les cir cuits, which makes it possible to increase the heating ratio by the inductor 64 when the shoulder 9 7 approaches this inductor, and simultaneously reduce the heating effect of the inductor 65, in. making possible, in this way, a uniform heating and quenching of the part. cylindrical and conical total of the. part to be treated.
In order to make the adjustment of the transformer automatic, the lever 105 pivots as 108 on an arm 109 of the frame of the device can come into engagement with the end 1.10 of the yoke 57 when the part is lowered, and lifts thus the primary winding 102 at the desired speed.
By making the end 111 of the lever 105 adjustable or else by providing two adjustment means at the end 1.10 of the yoke, the adjustment and the speed of the movement of the primary winding and, from there, the secondary currents are controlled conveniently and precisely.
Certain variations in the shape and extent of the surfaces to be quenched of the part 45 may require still more control means: more exact and capable of a <B> adjustment </B> of greater sensitivity than those which are given by the movement of the primary winding 102.
For this purpose, an automatic control is provided which regulates the total energy transmitted to the primary of the transformer 101, 102. This control comprises the interchangeable and adjustable cam 112 on the shaft 113. The shaft 118 is controlled by the wheel. gear 114, the latter being an action born by the rack 115 formed integrally with the guide bar 58 or fixed to it, this bar moving at the same speed as the part to be quenched.
The rotation of the .came 112 causes a displacement of the piston 116 in the support 117 by compressing the return spring 118 while the rod 119 oscillates the lever 120 carried by the shaft 121.
During the movement of the lever 120, its end 122 moves: in contact with the rheostat 128 and thus varies the excitation of the exciter 124 which, by supplying the exciter winding 125 of the generator 126, varies the excitation. energy -discounted :, to conductors 103 and 104, connected to the primary winding 102.
It will be understood that the calm 112 will be formed and regulated: so that the energy supplied to the inductors can be varied and controlled to properly maintain the speed and intensity of heating, even if the dimensions or the shape of the following. side <B> to </B> heating of room 45: constantly changing.
In certain applications of the device described, it may be desirable: to enclose the mechanism or some of its parts. In this case, the frame of the device can be developed as shown in dotted lines at 126 '. We will understand. that a frame: of this kind can contain the transformer and the inductors as well as the other parts of the mechanism.
By the method described above, the heating is so rapid and, by the use of a source of electrical power of a sufficiently high frequency, can be limited to an area so narrow as the heated area. can be quenched and cooled almost instantaneously, so that by using a steel of the right characteristics and composition, virtually any desired degree of hardness can be achieved.
In addition, heating and cooling take place: at such a speed that virtually no free ferrite forms in the bonding surface: between the hardened zone and the core; so that the maximum resistance is obtained with elimination of @d: cracks or ruptures .of the hardened zone.
It is well known that when a part has been hardened by immediate and complete heating and quenching so as to give extreme hardness, high stresses occur which, if not properly reduced by annealing. or softening, - turn into cracks: or cracks which gradually increase,:
deteriorate the surface and often cause complete breakage of the part. The detrimental effects resulting from the stresses created during the quenching of a workpiece increase considerably during the time between quenching and annealing operations. If the latter is done correctly immediately after quenching, the detrimental effects of the stresses of the latter become practically negligible.
In the process, described, .means are provided by which this annealing can be carried out quickly and economically immediately after the part has been hardened, the annealing taking place as it progresses as it is quenched. -and practically annihilating the: harmful effects which otherwise would result from stresses: quenching.
This process may also be useful in the treatment of non-ferrous metals, although the results may be entirely different :. For example, in the manufacture of articles in copper or in alloys comprising copper, it can be used for partial or total depth annealing of the part, including intermediate annealing between the working pitches.