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| trempe bainitique |
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Ligne entièrement automatisée de traitement thermique en bain de sels.
Figure 1. Ligne automatique Thermic-Service pour des charges de diamètre
Christian LIDIN Thermic Service SA - Suisse
A) Introduction:
La carbonitruration est l’un des traitements les plus utilisés dans l’industrie mécanique. Elle est souvent pratiquée dans le cas de pièces de grandes séries, car elle est devenue un procédé bien maîtrisé s’effectuant sur des aciers alliés et faiblement alliés à des prix abordables, tout en apportant une bonne résistance à l’usure et à la corrosion et une bonne tenue à la fatigue.
Plus l’acier utilisé en carbonitruration sera riche en éléments d’alliages (Cr, Mn, Mo, V, Ti…) associé à une trempe « énergétique » (huile) plus grande sera la marge de manœuvre. Quand, pour des raisons économiques et de facilité d’emboutissage (sur des pièces à géométrie compliquées), les mécaniciens se tournent de plus en plus sur des nuances non alliées ou très faiblement alliés (FePo3 - 9 S Mn Pb 36 – St37….) et lorsque les pièces de formes compliquées sont très fines (pour des soucis de déformations) ces derniers associent la carbonitruration à une trempe sels, alors la marge de manœuvre se réduit pour le métallurgiste (pouvoir de trempabilité amoindri).
Bien sûr, il est possible de satisfaire ces demandes mais non sans difficultés. Etant donné que les paramètres pouvant jouer sur la dureté et la profondeur de carbonitruration sont très resserrés, il est donc impératif de travailler avec une installation (four / bac) performante afin de pallier tous ces manques. Du fait des petites profondeurs (souvent =
C’est pourquoi un four équipé d’une cloche permettra une cohérence parfaite des températures et des gaz pour une totale harmonie des profondeurs même sur des densités de chargement importantes.
Sur cette ligne de traitement thermique, il est bien entendu possible de traiter ce cas concret mais l’adjonction de deux bacs permet en plus au client de jongler entre la trempe martensitique et la trempe bainitique à sa convenance. Elle permet non seulement de traiter des charges de pièces disposées en vrac sur plusieurs étages mais également des charges de matrices de plusieurs kilos(Fig.2)
Figure 2 Exemple de charge massive
La trempe bainitique :
Le but de cette trempe est d’obtenir une structure composée de bainite mais avec présence de martensite à proportion variable (trempe étagée bainitique mixte ou totale (figure 3). Après l’austénitisation, le refroidissement doit être assez rapide pour éviter la transformation perlitique afin de se trouver à la limite de la zone bainitique du diagramme. S’ensuit un maintien à température constante dans le domaine bainitique, puis un refroidissement dont la vitesse n’a plus d’influence jusqu’à la température ambiante.
Figure 3 : Trempe étagée bainitique totale (b) et mixte (a)
Ses avantages :
La trempe martensitique aux sels :
Elle répond aux mêmes propriétés que la trempe huile, si ce n’est qu’elle se réalise, pour les aciers courants, à des températures de trempe plus élevées ( La pièce chauffée est mise en solution solide austénitique puis refroidie rapidement en traversant le point Ms (température à laquelle la transformation austénite/martensite commence au refroidissement).
Ses avantages :
Inconvénient :
Pour certaines nuances combinées à une massivité importante de la pièce, la trempe huile peut s’avérer plus adéquate (pour l’obtention de duretés élevées).
B) L’installation :
Profitherm 300
Figures 4 : Schéma de principe de la ligne de traitement thermique Vue de face Vue de dessus
Composition de la ligne :
La figure 1 montre la disposition générale de cette nouvelle ligne de fours : comme on peut le constater elle est équipée de deux fours à cloches (stations n°3 et n°6) pouvant recevoir des tailles de charge de 500x700mm pour un poids de 300kg. De deux bacs sels nitrite/nitrate (stations n°4 et n°5) d’un four de revenu (station °2) et tout au bout de la ligne la station de lavage (n°1). A l’extrémité droite on aperçoit l’armoire informatique équipée du dernier logiciel développé par notre partenaire AXRON (voir article « Technique de contrôle et de commande d’installations… »). Devant la ligne un manipulateur multiaxes de couleur jaune qui fait la navette entre les différentes stations. Et en avant plan une rampe de douze plots de chargement.
Cheminements des charges sur la ligne
L’opérateur prépare la charge et la place sur le plot d’entrée. Aussitôt la gamme de traitement lancée, le manipulateur multiaxes vient chercher la charge et la transporte sur la première station programmée. Tout est automatisé ; la charge transite de station en station au gré de la gamme. Le transfert four/bac s’effectue par le déplacement du four sur le bac ; la charge peut ainsi voyager sans perte de chaleur et sous protection gazeuse sans passer par des sas intermédiaires. Une fois le four positionné, le lift du bac vient chercher la charge pour l’immerger dans le bac sel. Le transfert four bac se réalise en moins de dix secondes.
Une fois la charge trempée elle passe en phase d’égouttage au dessus du bac grâce au lift d’extraction. De ce fait une grosse partie du sel est directement récupérée dans le bac. Le cycle d’égouttage achevé, le manipulateur récupère sa charge pour la transférer dans la machine à laver. Le cycle de lavage terminé, la charge de pièces passe dans le four de revenu si nécessaire ou est déposée sur son plot de déchargement. Un plan de charge (voir figure 5) pouvant gérer un nombre illimité de charges permet d’en visualiser l’ensemble sur la ligne.¨
Figure 5 : Plan de charge
Les gaz :
Dans ce cas précis, les pièces sont traitées avec un potentiel carbone contrôlé par une sonde à oxygène, mais un analyseur Co/Co2 peut se greffer à
La gamme peut être composée d’autant de blocs nécessaires. Dans chaque bloc tous les paramètres cités ci-dessous sont paramétrables (Température, vitesse de montée à température, temps de maintien du bloc, vitesse turbine, choix du gaz porteur, choix du gaz additionnel (Nh3), valeur du Co, régulation du potentiel carbone, choix de la mesure du potentiel carbone (sonde ou analyseur) régulation du potentiel carbone sans air ou sans propane, etc.…). La gamme devient une vraie recette métallurgique où chaque paramètre est un ingrédient que l’on peut ajuster à sa guise pour optimiser au mieux les gammes. Chaque bloc est l’équivalent, par exemple, d’une zone d’un four poussant, à la différence près qu’ici les blocs sont illimités.
Vue de face Vue arrière
Figures 6 : Tableau de débitmétrie
L’atmosphère :
L’introduction de méthanol donne le gaz porteur formé essentiellement de monoxyde de carbone et d’hydrogène, gaz dont le coefficient de transfert de carbone est excellent.
CH3OH
CO + H20
CO + 3H2
2H2O
Pour la régulation du potentiel il faut un fluide carburant riche en carbone avec une teneur en oxygène nulle comme le par exemple le propane.
C3H8
Le propane en se décomposant donne du carbone qui réagit immédiatement avec le dioxyde suivant la réaction :
C + CO2 Le rôle du fluide carburant est de maintenir le potentiel carbone à une valeur constante.
En carbonitruration, de l’ammoniac est rajouté à l’atmosphère de base. Une partie de l’azote de la dissociation de l’ammoniac pénètre dans le réseau cristallin de l’acier en provocant une augmentation de la trempabilité.
2NH3
C) Les différentes stations.
a- Le Four Figure 8 : synoptique d’un four Figure 7 : Coupe du four de traitement
Caractéristiques :
ü Homogénéité de température +/- ü Trois thermocouples placés à l’intérieur de la cloche permettant un contrôle parfait des températures (figure 8). ü Circulation forcée des gaz dans un réacteur parfait et cylindrique. ü Une reproductibilité garantie et une excellente homogénéité du procédé de traitement thermique. ü Entrée de gaz refroidie. ü Sonde à oxygène pour un contrôle rapide du potentiel carbone. ü Atmosphère de protection confinée dans une cloche métallique (coefficient de transfert carbone élevé). ü Changement rapide de l'atmosphère. ü Quatre procédés de traitement thermique. (Austénitisation, recuit, cémentation, carbonitruration) ü Débitmètres massiques pour une précision de mesure de débits. ü Vitesse de la turbine réglable par un variateur de vitesses ü Possibilité de monter en température par rampe (diminution des déformations liées à un enfournement et un chauffage direct)
La géométrie des fours à cloche étant verticale, celle-ci permet de traiter également de longues pièces dont le rapport longueur/section est important. De plus, les fours à cloche avec un moufle métallique ont une consommation de gaz très largement inférieure à celle des fours sans moufle.
b- Le Bac sels :
Figure 10 : synoptique du bac
Figure 9 : Coupe du bac sels montrant le guidage du flux de sels vers la charge pour une trempe homogène.
Le pouvoir refroidissant du bac est très complexe, faisant intervenir différents facteurs physiques comme :
La chaleur spécifique. La conductibilité thermique du bain. La chaleur de décomposition. La chaleur spécifique. La viscosité. La formation des couches isolantes gazeuses.
C’est pour cela que le bac doit être très performant (voir caractéristiques) afin de garantir une homogénéité parfaite de la trempe sur toute la hauteur de la charge.
Caractéristiques :
ü Volume utile de ü Température de travail de ü Transfert direct des charges sans sas intermédiaire. ü Rapport de masses, charge/liquide de refroidissement, optimum pour une meilleure durée de vie. ü Grande vitesse de refroidissement de la charge grâce à un brassage forcé et directionnel (fig.9) ü Ventilateur de refroidissement performant permettant de varier les températures rapidement. ü Vitesse de circulation des fluides modulable par variateur de vitesses. ü Porte de protection gérée automatiquement. ü Double parois isolantes. ü Vitesse de descente du lift programmable et vitesse de brassage du sel modulable par type de pièces pour limiter les déformations au minimum. ü Afin d’augmenter davantage la drasticité du bain et par conséquent permettre un traitement bainitique ou martensitique homogène sur des pièces massives un système d’ajout d’eau dans le bac peut être installé.
c- Le four de revenu
Figure 11 : Coupe du four de revenu
Caractéristiques :
ü Température de ü Homogénéité de température +/- ü Ventilateur de refroidissement. ü Turbine de circulation. ü Gaz de protection N2. ü Chauffage en épingles. ü Vitesse de la turbine réglable par variateur de vitesse. ü Possibilité de monter en température par rampe
La machine à laver : Figure 12 : Schéma de principe de la machine à laver
Caractéristiques :
ü Equipée de deux bacs en cascade. ü Aspersion par rampes avec buses orientables. ü Chauffage des bains jusqu’à ü Le récupérateur de sels, raccordé à la machine à laver régénère le sel et recycle l’eau du lavage. Cette solution présente donc un intérêt économique tout en protégeant l’environnement car le sel récupéré est réutilisé directement dans le bac sels (fig.13)
Figure 13 : Schéma du fonctionnement du retraitement de l’eau de la machine à laver
e- Le manipulateur :
Figure 14 : Manipulateur multiaxes
Le manipulateur est un maillon essentiel de la chaîne, véhiculant les charges d’un endroit à un autre avec une grande précision. Il se déplace de droite à gauche de la ligne de traitement, monte et descend sur différentes positions. Il avance et recule ses bras, tourne sur lui-même et exécute le même mouvement de l’autre côté, se déplaçant à l’aide de deux vitesses ; rapide pour se déplacer et lente pour se positionner face aux stations. Le codeur laser, intégré au manipulateur, lui procure une excellente précision. Il est équipé de capteurs pour le positionnement de ses bras. Le manipulateur en travail est capable d’effectuer plusieurs mouvements simultanés (ex : avance latérale + montée des bras ou rotation sur lui-même + mouvements des bras…).
D) Avantages d’une telle installation :
E) Exemple d’application :
Type de pièce : Cages de roulement
Figures 15: Différentes cages de roulements
Matière : St 37
Cahier des charges :
• Duretés de surface > 680 HV1 • Profondeur de carbonitruration 0,05 - 0, • Productibilité élevée • Résistance aux tests de fatigue • Déformation <
La carbonitruration vise à faire diffuser du carbone et de l’azote en phase austénitique (750-
Chargement :
Figure 16 : Charge complète de 8000 cages Figure 17 : Détail d’un étage de la charge
La charge (fig.16) est composée de 8000 pièces répartis sur 6 étages sur une hauteur de 700mm. Les bagues sont disposées sur des barrettes (fig.17). Sur chaque étage sont placées trois longues barrettes et deux plus petites. Ce chargement est donc assez compact il est donc nécessaire d’avoir un brasage du bac très performent afin de pouvoir tremper chacune de ces cages du bas en haut avec une dispersion des duretés la plus faible possible.
Cycle :
Figure 18 : cycle thermique effectué
La montée en température s’effectue sous une atmosphère méthanol/azote. Une fois à température, le cycle se déroule sous méthanol pur avec un Co égal à 32%. Un ajout d’ammoniac est nécessaire pour l’obtention de la dureté finale. Une chute à
Résultats obtenus :
Figure 19 : Micrographies des pièces contrôlées Figure 20 : Positionnement des contrôles effectués
> Dureté de surface ~690 HV1
> Déformation <
> Profondeur de carbonitruration 0,06-0.07mm
> Test en fatigue conforme
> Process stable et reproductible
Production 6700 pièces/heure par four
La figure 19 nous indique la dispersion des profondeurs et les duretés associées sur différentes pièces prélevées afin de vérifier l’homogénéisation du traitement sur l’ensemble de
Débit de gaz utilisés :
Taux de renouvellement = 5 fois le volume du four
1) Débit de méthanol liquide (CH3OH) =
2) Débit d’ammoniac (NH3) =
3) Débit de propane (C3H8) = 0. 3 – 3l / min (en régulation)
4) Débit d’air = 3 –
5) Débit d’azote de dilution (N2) =
Conclusion :
Cette ligne de traitements thermiques a complètement répondu aux exigences du client qui s’est spécialisé dans la trempe aux sels. En effet, cette ligne entièrement automatisée et sécurisée, lui permet de composer avec ses deux bacs afin de pouvoir répondre dans les plus brefs délais à toute demande de ses clients, quelle que soit la difficulté géométrique des pièces et avec l’atout non négligeable de pouvoir fournir une qualité constante à coûts réduits grâce aux faibles consommations d’électricité et de gaz.
Christian LIDIN Thermic Service SA - Suisse
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