Procédé de four sous vide

Les fours sous vide sont fréquemment utilisés dans les procédés industriels de traitement thermique et varient largement en capacité et en taille. Au cours des 30 dernières années, les équipements ont bénéficié d'améliorations continues de sorte que l'utilisation du traitement par le vide s'est largement répandue dans l'industrie aérospatiale et automobile. Le vide est considéré comme toute pression inférieure à la pression atmosphérique et peut être exprimé en torrs, microns ou millibars dans les applications industrielles.

Effets du vide

Les effets du traitement de composants dans le vide sont doubles :

1. Dans la plage de vide moyen-poussé la pression partielle de l'air résiduel dans le four, notamment O -H O, est sensiblement réduite et fournit un environnement permettant de traiter des composants avec peu ou sans oxydation de la surface. La réduction de l'azote résiduel (N) est également bénéfique pour les matériaux, qui sinon produiraient des nitrures.

2. La décomposition des oxydes existants dans la surface des composants peut se produire, en fonction de la température et du type de matériau.

Equipement mécanique

Les fours sous vide existent sous de nombreux formats mécaniques différents, et les modèles comprennent des composants communs comme :

• Chambre de pièces de fabrication ou chambres multiples généralement avec chemise refroidie à l'eau, mécanisme de chargement et de transfert

• Blindages thermiques en plaque de graphite ou matériau réfractaire

• Accessoires d'enfournement en plaque de graphite ou matériau réfractaire

• Elément de chauffage souvent en graphite ou en molybdène ou matériau réfractaire pour les températures dépassant 1000°C

• Système de pompage à vide

• Contrôle de la pression partielle

• Systèmes de circulation par ventilateur en option pour les procédés de recuit

• Bac de trempe et/ou système de trempe au gaz/ventilé

• Système de refroidissement

• Système de contrôle

   

Le concept cellulaire du traitement par le vide est de plus en plus répandu avec les agencements multicellulaires utilisés pour intégrer le traitement thermique à la production et la fabrication en atelier.

La Figure 1 représente un simple four à chambre unique.

Figure 1 Four à vide type à chambre unique et chargement par le bas

Système de commande

Chaque partie du cycle de traitement fait appel à des fonctions de commande spécifiques.

1. Contrôleurs programmables de four pour prendre en charge le séquençage et la surveillance des actions numériques et les verrouillages de four généraux.

Figure 2a Exemple de séquence de démarrage de pompe

2. Système de contrôle de séquence de pompage à vide.

Pour le cycle de pompage à vide, le système de contrôle doit s'interfacer avec plusieurs types de jauges à vide faible, moyen et poussé. Les pompes mécaniques et la pompe à vide poussé à jet de vapeur doivent être séquencées de manière contrôlée pour s'assurer que le four est convenablement vidé sans abimer les pompes et sans aspiration d'huile dans la chambre de traitement. La séquence est exécutée en comparant la valeur réelle de la ligne secondaire ou la pression de la chambre à une série de points de consigne de pression dans la plage de vide moyen / poussé. La séquence peut également inclure des temporisateurs de rendement de débit de pompe, des tests de taux de fuite et des algorithmes de dégazage ainsi que des procédés de four et des verrouillages de chauffage.

Figure 2b Diagramme de flux d'arrêt de pompe de chambre/exemple de séquence

3. Contrôleurs de programmation du traitement thermique

Les cycles de traitement thermique sous vide sont souvent complexes et nécessitent des profils de température et de vide selon plusieurs niveaux. Ces profils sont définis en fonction des spécifications des matériaux et des composants. Ils sont généralement établis en fonction de formules contrôlées.

Les profils de programmation de la température sont souvent réalisés sur plusieurs segments où il est nécessaire d'exercer un contrôle précis pour les deux domaines chaleur noire et chaleur rayonnante. Le cycle suivra le plus souvent des vitesses d'échauffement et des périodes de palier définies qui dépendent du procédé de traitement exécuté. Des procédures spéciales d'optimisation de contrôle pour traiter automatiquement la variation de gain du processus pour les charges de four importantes et la limite chaleur noire / rayonnante, peuvent contribuer à améliorer les temps de cycle et la qualité des produits.

Comme le traitement thermique est un processus scientifique, il est important de s'assurer que la pièce à traiter suit le profil défini. Par conséquent, des mécanismes spéciaux doivent être utilisés pour éliminer les dépassements et assurer le respect de la tolérance et la conformité des thermocouples de la pièce.

La pression partielle peut être contrôlée dans la chambre de traitement par injection contrôlée d'un gaz inerte pur. Comme certains matériaux ont des pressions de vapeur relativement élevées, ils présenteront des signes d'évaporation superficielle aux niveaux de vide moyen et poussé. Le but du contrôle de la pression partielle est d'augmenter le niveau de la pression de la chambre de la pièce à traiter afin d'empêcher cet éventuel effet nuisible.

Le processus de refroidissement, à vide ou refroidissement assisté, et les procédures de trempe Gaz-Gaz/ventilée sont des exigences communes.

La plupart des fours modernes comprennent des échangeurs de chaleur extrêmement efficaces et des ventilateurs de refroidissement rapide pour aider les processus de refroidissement et de trempe. Les récipients sont conçus pour fonctionner à des pressions de remplissage dépassant 10Bar et la séquence doit prévoir le contrôle de cette partie du cycle.

Certains cycles de four exploitent aussi le remplissage avec du gaz inerte ou l'utilisation de ventilateurs de circulation pendant le processus de chauffage afin de favoriser le transfert de chaleur en-dessous du domaine de chaleur rayonnante. Pour les installations cellulaires, des systèmes de trempe à huile en option peuvent être intégrés dans la conception.

Un profil simple type est illustré dans la Figure 3.

4. Contrôle de la puissance électrique

Les éléments chauffants des fours à vide sont en graphite, molybdène ou parfois d'autres alliages réfractaires. Ils fonctionnent généralement à des tensions inférieures à l'alimentation secteur disponible et sont connectés à l'alimentation par un transformateur.

Le matériau de l'élément ne doit pas être exposé à une atmosphère oxydante quand il est à température et des verrouillages de pression spéciaux dans le contrôleur de vide sont utilisés pour y veiller. Les gradateurs de puissance sont utilisés pour donner les meilleurs résultats quand les éléments chauffants sont couplés à l'alimentation via un transformateur.

5. Interface avec les jauges à vide

Il est nécessaire de tenir compte de l'interface du système de contrôle avec les différents types de jauges à vide disponibles.

Les jauges modernes sont généralement à large gamme ou de type actif où l'étendue de la sortie est dimensionnée pour coïncider avec une plage logarithmique de vide définie. Les solutions de contrôle Eurotherm utilisent une linéarisation du signal d'entrée standard pour accommoder de nombreuses jauges à vide industrielles. Pour les nouvelles jauges, une technique simple est utilisée pour recalculer la linéarisation requise.

Les jauges actives types sont :

Vide atmosphérique à moyen 10E0 à 10E-4, jauges Pirani, jauges à thermocouple et jauges extensométriques

Vide dans l'intervalle 10E-2 à 10E-9, jauges d'ionisation et magnétron inverse

Les jauges à large gamme ou "full range" utilisent plusieurs techniques de mesure mais ont une sortie continue dans l'intervalle 10E0 à 10E-9.

Figure 3 Profil type