La présente invention concerne le traitement des pièces métalliques et plus particulièrement la cémentation, c'est-à-dire l'introduction de carbone sur une certaine profondeur des pièces pour améliorer leurs caractéristiques mécaniques.
Un procédé particulier de cémentation basse pression a déjà été décrit dans le brevet
Par ailleurs, un article de
Diverses tentatives ont été faites pour permettre l'utilisation d'acétylène tout en résolvant le problème de la génération de suie et de goudrons.
Le brevet
Une autre solution est proposée dans le brevet américain
La présente invention prévoit un nouveau procédé permettant l'utilisation efficace de l'acétylène et plus généralement de tout gaz de cémentation susceptible de produire de la suie et des goudrons.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de cémentation basse pression consistant à utiliser une alternance d'étapes d'enrichissement à faible pression et d'étapes de diffusion en présence d'un gaz neutre dans lequel, pendant les étapes d'enrichissement, on utilise un mélange de gaz d'enrichissement et de gaz porteur, le gaz porteur étant dans une proportion de 5 à 50% en volume du gaz d'enrichissement.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz d'enrichissement est de l'acétylène (C2H2).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz porteur est de l'azote.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz porteur est de l'hydrogène.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz porteur comprend de l'azote et de l'hydrogène dans une proportion de 5 à 60%.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pression dans l'enceinte de cémentation est supérieure à 1 kPa.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pression dans l'enceinte de cémentation est comprise entre 1 et 2 kPa.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les étapes de diffusion et d'enrichissement sont réalisées sensiblement à la même pression.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température de traitement est de l'ordre de 850 à 1200°C.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des étapes d'enrichissement est divisée en sous-étapes de durées inférieures à la minute séparées par des sous-étapes de diffusion d'une durée inférieure à la demi-minute, de préférence de l'ordre d'une dizaine de secondes.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La demanderesse a effectué diverses expériences de cémentation sur une éprouvette du type de celle représentée en figure 1, constituée d'un cylindre d'acier muni d'un alésage non débouchant et des mesures ont été faites quant à la profondeur de cémentation dext à l'extérieur de l'éprouvette et à la profondeur de cémentation dint à l'intérieur de l'alésage formé dans l'éprouvette.
La figure 2 représente un cycle de cémentation-diffusion du type décrit dans le brevet
Tout d'abord, la demanderesse a effectué des séries d'expériences sur une éprouvette de type de celle de la figure 1 avec comme gaz de cémentation de l'acétylène (C2H2) pur. Les courbes des figures 3, 4 et 5 correspondent à trois pressions particulières, maintenues lors des phases de cémentation-diffusion, à savoir respectivement de 0,3 kPa pour la figure 3, de 0,7 kPa pour la figure 4 et de 1,2 kPa pour la figure 5. Chacune des courbes représente la dureté en fonction de la profondeur de cémentation pour un point pris à l'extérieur (Ext) de l'éprouvette et pour un point pris à l'intérieur (Int) de l'éprouvette. Les différents points de chaque courbe résultent du test de diverses éprouvettes ayant subi des durées de traitement distinctes.
Comme le représente la figure 3, pour une pression de l'ordre de 0,3 kPa, on note une grande différence entre la profondeur de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette et à l'extérieur de l'éprouvette, c'est-à-dire que le résultat obtenu n'est pas satisfaisant puisque la cémentation est insuffisante à l'intérieur de l'éprouvette. Par exemple, si l'on vise une profondeur de cémentation de 1 millimètre, on s'aperçoit que, quand cette profondeur est obtenue à l'extérieur, la profondeur de cémentation n'est que de 0,4 mm à l'intérieur.
Un mauvais résultat est également obtenu dans le cas de la figure 4 où la pression est de 0,7 kPa. Quand la profondeur de cémentation à l'extérieur est de 1 mm, la profondeur de cémentation à l'intérieur n'est que de 0,6 mm.
Par contre, on commence à obtenir des résultats satisfaisants en ce qui concerne la cémentation à partir du moment où la pression dépasse 1 kPa. Par exemple, la figure 5 représente des résultats obtenus pour une pression de 1,2 kPa : quand la profondeur de cémentation à l'extérieur de l'éprouvette atteint 1 mm, la profondeur de cémentation à l'intérieur atteint 0,8 mm, ce qui correspond aux normes généralement admises.
En outre, on s'aperçoit que, si l'on distingue la profondeur de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette vers le haut de l'éprouvette et vers le fond de l'éprouvette, ce n'est qu'à partir du moment où la pression dépasse 0,5 kPa que l'on a une homogénéité de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette.
La génération de suie et de goudrons a été testée et l'on a noté que la création de suie et de goudron est négligeable dans le cas où la pression est de 0,3 kPa, mais qu'elle devient notable à partir de 0,7 kPa.
La présente invention prévoit d'utiliser un cycle du type de celui représenté en figure 2 et d'injecter non plus un gaz de cémentation pur mais un mélange d'un gaz de cémentation et d'un gaz porteur. De préférence la proportion de gaz porteur sera choisie de l'ordre de 25 à 50% de la quantité de gaz d'enrichissement.
La figure 6 indique que l'on obtient alors, par exemple pour un mélange d'acétylène (C2H2) et d'azote N2 avec une pression totale de 1,5 kPa et une proportion d'environ 30% d'azote, une cémentation satisfaisante sensiblement identique à celle illustrée en figure 5. Toutefois, dans ce cas le problème de la formation de suie et de goudrons est résolu.
La figure 7 représente la concentration en benzène (C6H6) observée à la fin de cycles d'enrichissement successifs. En effet, il est connu que la formation de goudrons implique une phase de génération de composés aromatiques tels que le benzène et le phényléthylène. La génération de benzène est donc un bon indicateur de la formation de suies et goudrons. En figure 7, les courbes marquées C2H2 et C2H2+N2 correspondent respectivement aux cas décrits en relation avec les figures 5 et 6. On constate que, en utilisant de l'acéthylène pur selon l'art antérieur, la concentration en benzène croit notablement à la fin de chaque cycle d'enrichissement, ce qui correspond bien à une formation de goudrons importante. Par contre, dans le cas d'un mélange d'acétylène (C2H2) et d'azote N2, conformément à l'invention, la concentration de benzène reste sensiblement constante, à une valeur faible, ce qui correspond bien à une formation de goudrons négligeable.
Plus généralement, la présente invention prévoit, dans tous les cas où l'on procède à une cémentation en présence d'un hydrocarbure aliphatique dans des conditions où se posent des problèmes de génération de suie et de goudrons, d'ajouter un gaz neutre. De préférence la proportion de gaz neutre sera choisie de l'ordre de 5 à 50% de la quantité de gaz d'enrichissement. Ces problèmes de génération de suie et de goudrons se soulèvent très fortement dans le cas de l'acétylène dans lequel la présente invention est particulièrement utile mais se posent également notamment dans le cas d'autres hydrocarbures, par exemple du propane (C3H8).
Le gaz neutre n'est pas nécessairement de l'azote mais peut être tout autre type de gaz n'intervenant pas dans la réaction de cémentation, par exemple de l'argon ou un mélange de gaz. L'azote sera de préférence choisi en raison de son faible coût. Mais, pour des exigences particulières, ou si les coûts des gaz viennent à baisser, on pourra choisir un autre gaz neutre ou gaz porteur pour résoudre le problème de la génération de suie et de goudrons.
La demanderesse a également montré qu'il peut y avoir avantage à ajouter de l'hydrogène pendant les phases de cémentation. Si l'on ajoute un gaz neutre comprenant une proportion de 5 à 40% en volume d'hydrogène, on obtient une courbe caractéristique parfaitement satisfaisante telle que celle de la figure 6 (à comparer avec celle de la figure 4 dans le cas où l'on utilise de l'acétylène seul).
on peut penser que la dissolution de l'acétylène par le gaz porteur pendant les phases d'enrichissement réduit les réactions de polymérisation de l'acétylène et de ses dérivés, d'où il résulte la diminution significative constatée de la quantité de goudrons formée à l'intérieur du four et éventuellement au niveau du groupe de pompage.
L'utilisation d'un mélange d'azote hydrogéné présente l'avantage supplémentaire de favoriser la cinétique de décomposition ou le craquage thermique de l'acétylène, d'où il résulte une meilleure pénétration dans des cavités et une cémentation régulière. En effet, on peut alors, même pour une faible pression, obtenir une cémentation homogène des parois de cavités profondes. Un avantage de cette solution est que l'on réduit alors la quantité de gaz de cémentation et donc la pollution et les effluents gazeux.
Selon une autre variante de la présente invention, la demanderesse a montré que l'on pouvait encore réduire la formation de goudrons en revoyant la durée relative des cycles d'enrichissement (E) et de diffusion (D) décrits en relation avec la figure 2. De façon classique on prévoit, par exemple six cycles d'enrichissement et de diffusion ayant des durées de l'ordre de celles indiquées dans le tableau ci-dessous (en secondes).
La demanderesse propose de fractionner chacune des cycles d'enrichissement en étapes brèves suivies de courtes durées de diffusion. Par exemple on pourra prévoir des étapes d'enrichissement d'une durée maximum de 50 s suivies d'une étape de diffusion d'une durée de l'ordre de 10 s. Le premier cycle d'enrichissement E1 comprendra alors 10 ou 11 étapes d'enrichissement dont chacune est suivie d'une étape de diffusion d'une dizaine de secondes, la phase finale de diffusion D1 étant maintenue sensiblement à sa durée initiale indiquée dans le tableau ci-dessus. Le deuxième cycle d'enrichissement E2 comprendra 4 étapes d'enrichissement dont chacune est suivie d'une étape de diffusion d'une dizaine de secondes, la phase finale de diffusion D2 étant maintenue sensiblement à sa durée initiale indiquée dans le tableau ci-dessus. Et ainsi de suite. La concentration en benzène à la fin de chaque cycle d'enrichissement pour ce mode de fonctionnement pulsé est indiquée en figure 7 par la courbe C2H2+N2 (pulse). On peut voir que la concentration en benzène est divisée sensiblement par deux par rapport au cas où on utilise de façon classique des cycles ininterrompus.
D'autres modifications des cycles, par exemple le choix, pour une pression donnée de débits variables, progressivement plus faibles, pourront apporter des améliorations supplémentaires.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.