Procédé de traitement thermique d'un objet dont au moins une partie est en un matériau électriquement conducteur dont la résistivité croît avec la température La présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique d'un objet dont au moins une partie est en un matériau électriquement conducteur dont la résistivité croît avec la température.
Elle concerne plus particulièrement, mais non exclu sivement, un procédé de traitement d'objets de forme allongée en métal comme l'acier par exemple.
Le procédé de traitement selon l'invention est carac térisé en ce qu'on applique de la chaleur à une partie seulement du matériau, autrement qu'en faisant passer un courant dans le matériau et, en ce qu'après le début de cette application de chaleur, on applique une diffé rence de potentiel entre des joints espacés de l'objet afin de faire passer un courant électrique dans le matériau auquel cette chaleur a été appliquée, pour effectuer un chauffage supplémentaire de ce matériau.
Une forme d'exécution destinée à permettre le chauf fage sensiblement uniforme d'un objet dont la section est irrégulière, est caractérisée en ce qu'on chauffe ini tialement l'objet aux endroits de plus grande section autrement qu'en y faisant passer un courant, après quoi on applique une différence de potentiel à l'objet en des endroits espacés l'un de l'autre de façon à y faire passer un courant provoquant un chauffage supplé mentaire amenant l'objet à une température sensible ment uniforme.
La figure unique du dessin illustre, à titre d'exemple, une forme d'exécution du procédé, pour le chauffage d'un objet de forme allongée.
Etant donné un objet qui doit être chauffé, on commence par le soumettre à un chauffage initial, sur une partie seulement de sa longueur, par exemple à l'aide d'un four ou en le passant dans une flamme. Ensuite on le chauffe en y faisant passer un courant électrique que l'on amène à l'objet au moyen de con ducteurs. La nature et l'intensité du chauffage initial peuvent être choisis de façon à obtenir une distribution de température déterminée le long de l'objet. Cette température variant le long de l'objet entraîne une variation correspondante de la résistivité et influencera par conséquent la distribution longitudinale de la tem pérature qui sera développée lors du passage du cou rant.
On peut également varier la nature du chauffage électrique : par exemple en utilisant un courant alterna tif à haute fréquence, on pourra accroître le chauffage de la surface extérieure de l'objet, tandis qu'en utilisant un courant alternatif à basse fréquence on pourra chauf fer l'objet de façon plus homogène à travers son épais seur. En choisissant convenablement les étapes de chauf fage initial et de chauffage électrique on pourra obtenir un grand nombre de distributions possibles de la tem pérature finale.
Le procédé décrit permet d'obtenir la plupart des avantages découlant du chauffage électrique tout en lui conférant plus de souplesse que lorsqu'il est utilisé seul par exemple les parties de la barre dont la section est uniforme peuvent être chauffées rapidement et écono miquement tandis qu'on laisse les autres parties de la barre sensiblement intactes ; en outre il est possible de chauffer de façon uniforme une barre dont la section n'est pas uniforme.
Considérons d'abord le cas du chauffage d'une par tie de la longueur seulement d'une barre d'acier de sec tion uniforme. La partie en question est d'abord chauf fée à une température intermédiaire, par exemple dans un four enveloppant seulement cette partie. Le chauf fage initial accroît la résistivité de cette partie d'une quantité dépendant des caractéristiques du matériau. Par exemple la résistivité à 400 C d'un acier à teneur en carbone élevée sera environ trois fois supérieure à sa résistivité à 201) C ; par contre la résistivité d'un acier à faible teneur en carbone ne sera que le double de celle à 20 C.
Lorsqu'un courant alternatif à 50 périodes par secondes est envoyé à travers toute la barre, la partie initialement chauffée, sera chauffée plus intensément.
La chaleur développée dans la barre est représen tée par la relation
EMI0002.0004
dans laquelle Q représente la quantité de chaleur déve loppée dans chaque élément de longueur de la barre, dont la longueur est Al, la section a, et la résistivité à la température To C, 5T, et dans laquelle relation i repré sente l'intensité du courant traversant la barre.
Par conséquent le taux d'élévation de la tempéra ture dans l'élément est donné par
EMI0002.0007
c désignant la chaleur spécifique du matériau, a le coef ficient de température de la résistivité, 50 la résistivité à 01, C et d la densité du matériau.
I1 ressort de ces équations que lors du chauffage électrique; le taux d'accroissement de la température de la partie initialement chauffée est considérablement plus élevée que pour les parties plus froides en raison de la plus grande résistivité de la partie initialement chauffée. De plus l'effet est cumulatif étant donné qu'au cours du chauffage électrique la différence entre la températu re de la partie initialement chauffée, et celle des autres parties s'accroît exponentiellement. En raison de cet effet cumulatif, le chauffage électrique peut être en clenché avant la fin du chauffage initial bien qu'il soit indispensable de prévoir au moins une période de chauf fage initial avant l'enclenchement du courant,
le chauf fage initial pouvant ensuite être considéré comme un chauffage auxiliaire. En chauffant initialement la barre, le chauffage électrique peut être réglé de façon à ame ner la partie initialement chauffée à la température nécessaire pour travailler la barre, le reste de la barre demeurant relativement froid.
L'inconvénient découlant de l'utilisation d'un four pour chauffer une partie de la barre de façon relative ment homogène à travers son épaisseur peut être sou vent évité, étant donné que le chauffage électrique ulté rieur tend à corriger la distribution de température transversale provoquée par le chauffage initial. Par exemple la barre peut chauffer initialement en plaçant la surface de la partie à chauffer dans une flamme ; cette surface sera ainsi considérablement plus chaude que l'intérieur de la partie préchauffée, lorsque le chauffage électrique sera enclenché.
Toutefois, lors du chauffage électrique, la résistivité plus élevée des régions extérieures tendra à concentrer le courant à l'intérieur de la partie préchauffée, de sorte que la quantité de chaleur développée dans le centre de la partie préchauffée sera plus élevée que dans les parties extérieures, ceci jusqu'à ce que la température du centre atteigne celle des régions extérieures.
L'équation (2) montre que, pour une barre de sec tion irrégulière, l'accroissement de température de cha cun des éléments de la section est inversement propor- tionnel au carré de leur surface transversale. II -en résulte que si une telle barre est chauffée uniquement en faisant passer un courant électrique, les parties min ces de la barre s'échauffent davantage que les parties épaisses.
Toutefois la différence de température qui pourrait ainsi s'établir, peut être compensée en chauf fant initialement les parties épaisses, ceci d'une part en raison de la chaleur supplémentaire fournie à ces par ties lors du chauffage initial et, d'autre part, en raison de la résistivité accrue de ces parties lors du chauffage électrique. De cette façon il est possible d'effectuer la compensation pour des sections dont les surfaces trans versales sont dans un rapport allant jusqu'à deux à un. Dans un exemple on a chauffé une barre rectiligne de section circulaire en acier à basse teneur de carbone.
La barre mesurait 94 cm de long, le diamètre de ses extrémités était de 2,87 cm et elle présentait une partie centrale de 25,4 cm de long et de 4,06 cm de diamètre. Ainsi le rapport des surfaces était de un à deux. La sec tion centrale a été amenée initialement à une tempé rature de 500c, C les autres parties demeurant à la tem pérature ambiante. Un courant continu de 10 000 Amp. a été ensuite envoyé à travers la barre. Au bout de 25 secondes -la -barre a atteint une température sensible ment uniforme d'environ 7600 C.
Dans un autre cas la partie centrale a été chauffée initialement à 7000 C, et après 30 . secondes la barre a atteint une température sensiblement uniforme d'environ 980o C.
Le procédé peut être appliqué au chauffage super ficiel d'une partie de la longueur de la barre. Si l'on veut par exemple faire subir un traitement à chaud des manetons d'un vilebrequin, on les chauffe initiale ment dans un four à rayonnement de température éle vée, puis on fait passer un courant haute fréquence le long du vilebrequin. Le courant de peau provoque un échauffement rapide de la surface des parties chauffées initialement, tandis que les autres parties du vilebrequin ne sont pas affectées. Lors du refroidissement la, trempe de tous les manetons est effectuée en même temps. Ce procédé est plus rapide et meilleur marché que le chauffage par induction.
Au dessin l'objet à chauffer est représenté en 10, ses extrémités étant en contact avec des bornes 11. Les bornes 11 sont reliées par des conducteurs 13,à une source de courant 12, dont la tension a été convenable ment choisie. Un interrupteur a été représenté en 14. Le chauffage initial est assuré par une flamme 15. Les bornes 11 peuvent être mobiles de façon à s'adapter à des objets de longueurs différentes.
Bien que l'on ait mentionné plus spécialement des objets de forme allongée, il est clair que le procédé peut être appliqué à des objets présentant une autre forme.
Dans chacune des formes d'exécution décrites ci- dessus, on peut utiliser un four à rayonnement infra rouge pour effectuer le chauffage initial.