FR2917752B1 - Procede de traitement thermique de pieces de fonderie mettant en oeuvre une trempe a l'air et systeme pour la mise en oeuvre du procede - Google Patents

Abstract

L'invention concerne selon un premier aspect un procédé de traitement thermique d'un lot de pièces de fonderie, dans lequel on applique une trempe à l'air aux pièces du lot disposées en une couche unique.L'invention s'étend également à un système de traitement thermique d'un lot de pièces de fonderie comprenant un système de ventilation pour provoquer un flux d'air de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour disposer les pièces du lot en une couche unique, et des moyens pour amener la couche unique de pièces sous le système de ventilation de manière à appliquer une trempe à l'air à la couche unique constituées des pièces du lot.

Description

Le domaine de l’invention est celui des traitements thermiques des pièces de fonderie réalisées en alliage à base d’aluminium. L’invention concerne un procédé de traitement thermique de pièces de fonderie de type culasse dans lequel on met en œuvre une trempe à l’air des pièces, et un système pour la mise en œuvre du procédé.

Le traitement thermique des alliages d’aluminium consiste en général en une succession d’opérations.

On réalise tout d’abord une opération de mise en solution à haute température, typiquement entre 490°C et 545°C pour les alliages de fonderie contenant du silicium (entre 5 et 9%), du cuivre (entre 0 et 3%) et du magnésium (entre 0 et 0,7%).

Cette opération est réalisée à la température la plus haute possible pour accélérer la mise en solution des éléments durcissants de l’alliage, et en dissoudre la plus grande quantité possible, tout en évitant de refondre même localement l’alliage (phénomène dit de brûlure). On obtient par cette opération une solution solide d’éléments durcissants dans la matrice de l’alliage.

On réalise ensuite une opération de trempe destinée à figer la solution solide des éléments durcissants dans la matrice, en opérant un refroidissement rapide depuis la température de mise en solution jusqu’à la température ambiante ou jusqu’à la température de revenu.

On réalise enfin une opération de revenu sous la forme d’un séjour en four à une température modérée, typiquement entre 150 et 245°C, qui amène les éléments durcissants de l’alliage à se recombiner sous forme de fins précipités distribués au sein de la matrice de l’alliage, et par ce fait accroît sa résistance.

Dans cette séquence d’opérations, l’opération de trempe s’avère délicate.

En effet, pour garder le potentiel durcissant le plus important possible, l’homme de l’art tend à effectuer cette trempe dans un milieu de refroidissement efficace, de l’eau en général, ce qui s’avère satisfaisant du point de vue des caractéristiques mécaniques.

Toutefois, la trempe à l’eau introduit, surtout pour les pièces de géométrie complexe, des contraintes résiduelles importantes dues au fait qu’en cours de trempe les différents éléments de la pièce ne peuvent se refroidir à la même vitesse. Ce phénomène est encore accentué par l’apparition de vapeur en bulles et en film à la surface de la pièce pendant la trempe à l’eau, ce qui perturbe les échanges thermiques.

Ces contraintes résiduelles peuvent atteindre localement la valeur de la limite élastique à froid de l’alliage, et peuvent être très néfastes à la tenue en service de la pièce, surtout en sollicitation en fatigue, si leur signe fait qu’elles s’ajoutent aux sollicitations extérieures appliquées à la pièce. L’augmentation de la température de l’eau de trempe est une technique bien connue de l’homme de l’art pour réduire les contraintes résiduelles de pièces complexes. Cette technique a toutefois des effets limités du point de vue de la réduction des contraintes résiduelles, tout en provoquant un abattement sensible de propriétés. Cet abattement est d’autant plus important que la température de l’eau augmente et s’approche de la température d’ébullition de l’eau. L'utilisation d’additifs de trempe (eau glycolée par exemple) est également une technique bien connue pour la réduction des contraintes résiduelles. Elle pose toutefois des problèmes de rejets et de traitement de l’eau de trempe, ce qui génère des surcoûts.

Une technique alternative de trempe consiste à utiliser l’air plutôt que l’eau comme milieu de refroidissement. Si la trempe à l’air est relativement facile à appliquer à des charges de pièces unitaires ou de faible massivité, elle ne donne toutefois pas de résultats satisfaisants dans le cas de traitement de charges de pièces nombreuses et massives, par exemple des culasses pour moteurs à explosion, qui du fait de leur compacité et de complexité de formes (notamment la présence de multiples cavités internes) n’offrent pas une surface favorable à l’extraction des calories par le flux d’air.

Cette insuffisance de la trempe à l’air est encore accentuée dans le cas de traitement thermique de pièces dans le mode habituel dit « batch » de traitement d’un lot de pièces de fonderie en alliage d’aluminium. Dans ce mode « batch », les pièces du lot de pièces à traiter sont mises en paniers. Plusieurs paniers, généralement réalisés en acier, sont empilés en une première couche sur un support de base, puis en une deuxième couche de paniers placée sur la première, voire éventuellement même d’autres couches de paniers. L’ensemble constitué du support de base, des couches successives de paniers et des pièces contenues dans les paniers forme ce qu’on appelle la charge de traitement thermique, ou plus simplement la charge.

Un espace vertical et horizontal entre les paniers est en général ménagé de manière à favoriser les échanges thermiques lors de la trempe.

La charge est successivement introduite dans le four de mise en solution, extraite de ce four pour être soumise à la trempe (par exemple plongée dans l’eau dans le cas d’une trempe à l’eau, ou amenée sous un système de ventilation dans le cas de la trempe à l’air), puis sortie du milieu de trempe et introduite dans le four de revenu, enfin extraite de ce dernier pour être ramenée dans l’air ambiant de l’atelier à la fin du traitement thermique.

Ce mode batch est particulièrement flexible, et s’avère par conséquent intéressant pour l’exploitant. En particulier, chaque charge peut subir un traitement de mise en solution ou de revenu différent de celui des autres charges. Les milieux de trempe peuvent eux aussi être dédoublés, ce qui ajoute encore à la flexibilité (en utilisant par exemple deux bacs de trempe à l’eau à des températures différentes).

Ce mode est également intéressant du point de vue énergétique. Les charges étant placées dans des fours dont la porte est refermée après leur enfournement, les fuites thermiques sont minimes et tout le traitement est réalisé dans un espace fermé et bien isolé vis-à-vis de l’extérieur.

Cependant, dans la conception habituelle des traitements thermiques en mode batch, une partie significative de l’énergie est utilisée pour chauffer les paniers en acier dans les fours, puis à refroidir l’eau de trempe pour la part d’apport calorifique lié à ces paniers, ce qui est sans intérêt pour la fonction principale du traitement thermique des pièces en aluminium. L’invention vise à pallier à ces inconvénients du traitement thermique en mode batch de pièces de fonderie, notamment des pièces de fonderie en alliages d’aluminium, et à permettre de garantir des propriétés élevées et homogènes quelque soit la pièce dans la charge. A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie, dans lequel on applique une trempe à l’air aux pièces du lot disposées en une couche unique.

Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants : - préalablement à la trempe les pièces du lot étant agencées sur plusieurs couches, on manœuvre les couches de pièces pour former la couche unique constituées des pièces du lot, et on amène la couche unique sous un système de ventilation de manière à réaliser l’opération de trempe à l’air ; - le système de ventilation délivre un flux d’air de débit supérieur à 1000 m3/h et par pièce, de préférence supérieur à 1700 m3/h et par pièce ; - la manœuvre des couches de pièces consiste à désempiler des paniers dans lesquels les pièces sont disposées ; - préalablement à la trempe les paniers étant empilés en un premier emplacement d’un chariot de transfert disposant de plusieurs emplacements de pile de paniers, les paniers empilés formant audit premier emplacement une pile de paniers comprenant une première couche de paniers et au moins une seconde couche de paniers, pour désempiler les paniers, on soulève les paniers de la couche supérieure, on fait avancer le chariot de transfert, et on dépose les paniers de la couche supérieure en un second emplacement du chariot de transfert, et ainsi de suite s’il y a plus de deux couches de paniers ; - les pièces sont posées horizontalement dans les paniers et espacées de moins de 100mm, de préférence de moins de 50 mm ; - les paniers sont séparés par des cloisons et les pièces sont posées verticalement dans les paniers ; - les cloisons forment un ensemble d’alvéoles, les pièces sont disposées à raison d’une pièce par alvéole de telle sorte que l’espace entre la pièce et l’alvéole soit inférieur à 60 mm, et de préférence inférieur à 30 mm ; - les pièces sont suspendues ou maintenues par des supports dans les paniers ; - la manœuvre des couches de pièces consiste à déposer successivement chaque couche de pièces sur un chariot de réception adapté pour recevoir une couche unique de pièces ; - les pièces sont déposées depuis un support de manutention sous la forme d’un râteau multi-peignes, chaque peigne étant apte à soutenir une couche de pièces, et dans lequel pour déposer successivement chaque couche on répète les opérations consistant à présenter au droit du support de manutention un chariot de réception présentant des moyens de support d’une couche de pièces sous la forme d’un peigne comportant des dents espacées les unes des autres, à descendre le support de manutention de sorte que les dents d’un peigne du support de manutention soient introduites dans les espaces inter-dents du chariot de réception pour déposer une couche de pièces sur le chariot de réception, et à remonter le support de manutention ; - le procédé comprend préalablement à la trempe une opération de mise en solution réalisée dans un four chargé avec les pièces du lot disposées sur plusieurs couches ; - le temps de transfert entre l’ouverture du four à l’issue de la mise en solution, et la mise en route du refroidissement à l’air est inférieur à 6 minutes, de préférence inférieur à 3 minutes 30 secondes ; - les pièces sont extraites du four de mise en solution à l’aide dudit support de manipulation ; - suite à la trempe, on manœuvre les pièces pour les redisposer sur plusieurs couches, et on réalise une opération de revenu des pièces réalisée dans un four chargé avec les pièces du lot disposées sur plusieurs couches ; - suite à la trempe les pièces sont manœuvrées et chargées dans le four de revenu à l’aide dudit support de manipulation ;

Selon un second aspect, l’invention concerne un système de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie comportant des moyens aptes à assurer la mise en œuvre du procédé selon le premier aspect de l’invention, et en particulier un système comprenant un système de ventilation pour provoquer un flux d’air de refroidissement, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens pour disposer les pièces du lot en une couche unique, et des moyens pour amener la couche unique de pièces sous le système de ventilation de manière à appliquer une trempe à l’air aux pièces du lot disposées en une couche unique. D’autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1a-1c représentent la charge constituée du support de base, de couches successives de paniers, et de pièces de fonderie contenues dans les paniers, selon un premier mode de réalisation possible de l’invention ; - les figures 2a-2g représentent la séquence d’opérations d’un premier mode de réalisation possible du procédé selon l’invention ; - les figures 3 et 4 représentent des moyens utilisés dans un premier mode de réalisation possible de l’invention pour désempiler les paniers dans lesquels les pièces sont disposées ; - la figure 5 est un schéma d’une unité de trempe utilisée dans le cadre de l’invention pour réaliser la trempe à l’air des pièces de fonderie ; - les figures 6a-6b sont des schémas représentant des distributeurs d’air pouvant être utilisés dans l’unité de trempe ; - les figures 7 et 8 représentent une vue en perspective et une vue en coupe d’un support de charge multicouches utilisé dans le cadre d’un second mode de réalisation possible de l’invention ; - les figures 9 et 10 illustrent un support de manutention sous la forme d’un râteau multi-peignes utilisé dans le cadre du seconde mode de réalisation possible de l’invention ; - les figures 11a-11e son des schémas d’une séquence d’opérations illustrant la manoeuvre de la charge dans le cadre du seconde mode de réalisation possible de l’invention ; - la figure 12 représente le principe d’un mode de réalisation possible du support de manutention de type râteau multi-peignes ; - la figure 13 est un schéma représentant les chariots de réception pouvant être utilisés dans le cadre du seconde mode de réalisation possible de l’invention. L’invention concerne selon premier aspect un procédé de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie, dans lequel on met en œuvre une trempe à l’air des pièces du lot. L’invention concerne également un système de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie comportant des moyens aptes à assurer la mise en œuvre du procédé selon le premier aspect de l’invention.

Comme on l’a vu précédemment, les pièces d’un lot sont généralement disposées dans des paniers empilables, et les paniers sont empilés sur un support de base pour former deux couches ou plus de paniers.

La figure 1a représente un support de charge 1 classiquement utilisée pour supporter des couches successives de paniers, et les pièces contenues dans les paniers.

Le support de charge 1 comprend des logements 2 de pieds de paniers et est conformé pour pouvoir être entraîné en translation, par exemple en roulant sur des convoyeurs à rouleaux qui constituent la mécanisation habituelle des charges dans les fours batch.

La figure 1b est une vue en coupe transversale du support de charge 1 sur lequel deux couches de paniers sont empilés : une couche supérieure P1 de paniers (par exemple un ensemble supérieur de deux paniers) empilée sur une couche inférieure P2 de paniers (par exemple un ensemble inférieur de deux paniers), cette dernière reposant sur le support de charge 1. Des pièces de fonderie 3 sont disposées dans les paniers des couches P1 et P2.

On a également représenté sur cette figure 1b, la motorisation M de l’installation de traitement thermique. Il s’agit par exemple d’un chemin de roulement à galets motorisés.

La figure 1c représentent une vue en perspective d’un panier 4. Celui-ci présente une structure alvéolée et est doté de parois externes 5 en tôle. La structure alvéolée permet la disposition d’une pièce 3 par alvéole.

Le panier 4 dispose d’espaces 6 servant à l’empilage femelle/mâle des pieds de paniers.

Comme on l’a vu précédemment, la charge constituée du support 1, des paniers empilés P1, P2 et des pièces disposées dans les paniers est classiquement chargée dans un four batch conventionnel afin de réaliser la mise en solution, puis extraite de ce four et amenée dans une unité de trempe pour être soumise à la trempe, puis sortie de l’unité de trempe, chargée dans un four batch conventionnel afin de réaliser le revenu. Ainsi, au cours du traitement thermique, et notamment au cours de l’opération de trempe, les pièces du lot sont réparties sur différentes couches.

Dans le cadre de l’invention, on propose d’appliquer une trempe à l’air aux pièces du lot disposées en une couche unique.

Préalablement à la trempe, c'est-à-dire typiquement à la sortie du four de mise en solution, les pièces sont classiquement agencées sur plusieurs couches. L’invention propose alors, suite à l’extraction de la charge du four de mise en solution, de manœuvrer les pièces pour former une couche unique de pièces constituées des pièces du lot. On amène ensuite la couche unique sous un système de ventilation dans l’unité de trempe. On applique de la sorte une trempe à l’air à la couche unique de pièces.

Selon un premier mode de réalisation de l’invention, on considère le cas classique de pièces disposées dans des paniers empilables. Dans ce mode de réalisation, la manœuvre des pièces pour former la couche unique de pièces peut consister à désempiler les paniers.

Selon un second mode de réalisation de l’invention qui sera décrit plus en détail par la suite, un support de charge multicouches particulier est proposé qui présente une pluralité de moyens de support d’une couche de pièces sous la forme de traverses espacées les unes des autres. Dans ce mode de réalisation, la manœuvre des pièces pour former une couche unique de pièces peut consister à déposer successivement chaque couche de pièces sur un chariot de réception.

Les systèmes de manœuvre des pièces qui seront décrits par la suite en liaison avec la présentation des premier et second modes de réalisation possible de l’invention ne sont donnés qu’à titre d’exemples non limitatifs. L’homme du métier pourra en particulier concevoir des variantes de réalisation respectant les principes de base exposées en liaison avec la présentation des ces exemples de réalisation.

En référence aux figures 2a-2g, on a représenté une séquence d’opérations conforme au premier mode de réalisation possible du procédé selon l’invention.

La figure 1a illustre la prise de la charge constituée du support 1, des couches P1 et P2 de paniers empilés, et des pièces disposées dans les paniers. La référence 7 représente un chariot de transfert disposant de plusieurs emplacements pour piles de paniers. Un premier emplacement comporte un chemin 8 de roulement à galets motorisé, tandis qu’un second emplacement 9, adjacent au premier, ne dispose pas de chemin motorisé mais est équipé de logements de pieds de paniers similaires aux logements 2 présents sur le support 1 (cf. figure 1a).

Le chariot 7 présente de préférence une structure aérée, de manière à laisser passer l’air.

La figure 2b représente le chargement de la charge sur le chariot de transfert. La pile de paniers P1, P2 est disposée au premier emplacement du chariot 7 en installant le support 1 sur le chemin 8.

La figure 2c illustre le mouvement, schématisé par la flèche 12, du chariot de transfert 7 vers un four de mise en solution 10.

Le four 10 est un four batch conventionnel comprenant un laboratoire (espace de travail utile du four) essentiellement fermé, isolé thermiquement, doté d’un système de brassage de l’air, muni de systèmes de chauffe et de régulation de la chauffe à partir de thermocouples mesurant la température du four ou de l’air dans le four, le laboratoire du four étant accessible par une porte 11 pour le chargement ou déchargement de la charge.

La figure 2d illustre le chargement du four de mise en solution 10, la charge étant introduite dans le four selon la flèche 13a. Une fois la charge intégralement chargée, la porte 11 est refermée, et on effectue la mise en solution.

La figure 2e illustre la sortie de la charge du four de mise en solution 10 (sortie schématisée par la flèche 13b), et l’amenée de la charge (schématisée par le mouvement du chariot transfert 7 selon la flèche 14) vers un système adapté pour désempiler les paniers.

Comme représenté sur la figure 2f, le chariot 7 est transféré pour passer sous un portique de désempilage 15 dont un mode de réalisation sera décrit plus en détail par la suite en référence aux figures 3 et 4. Lorsque le premier emplacement 8 du chariot est au droit du portique 15, les paniers de la couche supérieure P1 peuvent être soulevés à l’aide d’un mécanisme de préhension 16 solidaire du portique 15.

Comme illustré sur la figure 2g, le chariot est ensuite avancé selon la flèche 14 jusqu’à ce que le second emplacement 9 du chariot 7 se trouve au droit du portique 15. Le mécanisme de préhension 16 est alors commandé pour venir déposer les paniers de la couche supérieure P1 sur le second emplacement 9 du chariot 7, qui entre-temps a été avancé de la distance nécessaire pour que la couche supérieure P1 puisse être présentée à la verticale des logements de pieds 2 sur le chariot 7. L’ensemble des paniers est alors disposé en une couche unique, les couches de paniers P1 et P2 se retrouvant positionnés côte à côte au même niveau sur le chariot 7.

On a représenté sur les figures 3 et 4 un mode de réalisation possible du portique 15. Le portique 15 est ici une structure fixée au sol S, comprenant un mécanisme de préhension 16 commandé par l’intermédiaire d’un vérin 17 pour soulever et déposer une couche de paniers.

Le portique comporte une traverse 18 s’étendant à l’horizontal du sol, et dans laquelle un cadre 19 (constitué par exemple de deux colonnes verticales, d’une poutre et d’un plateau horizontaux) supportant le mécanisme de préhension 16 peut coulisser verticalement sous l’action du vérin 17. Le mécanisme de préhension 16 comporte un plateau mobile 20 faisant partie du cadre 19, et est doté de griffes 21 aptes à être actionnées par des actionneurs de griffes 22 pour venir en prise avec la couche supérieure de paniers P1.

Une fois le désempilement des paniers réalisés à l’aide du portique 15, le chariot de transfert 7 sur lequel les pièces sont désormais disposées en une couche unique est amené vers l’unité de trempe à l’air.

En référence à la figure 5, les pièces disposées en une couche unique dans les paniers P1 et P2 sont amenées au droit d’un système de ventilation 23 adapté pour provoquer un flux d’air de refroidissement schématisé par les flèches 24 et globalement perpendiculaire à la couche unique de pièces.

Afin que les propriétés mécaniques restent à un niveau élevé, les pièces sont soumises pendant la trempe à un flux d’air dont le débit est de préférence supérieur à 1000m3 par heure et par pièce, et de préférence encore supérieur à 1700 m3 par heure et par pièce. A titre d’exemples, la vitesse de l’air est de l’ordre de 23 m/s pour un débit de 1000 m3/h et par culasse, et de l’ordre de 45 m/s pour un débit de 1700 m3/h et par culasse.

Le refroidissement sous air forcé peut être réalisé jusqu’à atteindre dans les pièces la température ambiante, ou la température de revenu, si un revenu est pratiqué par la suite. L’unité de trempe peut être essentiellement fermée par une paroi 26 prévue pour récupérer l’air après trempe, et assurer un rôle de barrière sonique en évacuant l’air au travers d’un amortisseur sonore (les conduits d’échappement de l’air au travers des parois et les amortisseurs sonores ne sont pas représentés sur la figure 5). L’air traverse les alvéoles des paniers dans lesquelles sont disposées les pièces, ainsi qu’une grille dotée de rails de roulement de chariot, pour pénétrer dans une chambre 30.

Au cours de la trempe, le chariot 7 sur lequel est disposée la couche unique de pièces se trouve dans une enceinte constituée de parois 27 permettant de confiner le flux d’air sur la charge.

Des distributeurs d’air 28 sont disposés au dessus de la charge pour canaliser le flux d’air en direction de chacune des pièces. Un exemple de distributeur d’air sous la forme d’une grille à structure alvéolaire est représenté sur la figure 6a. Un autre exemple est représenté sur la figure 6b, sur laquelle la grille présente une surface inférieure fermée, dotée d’une fente de passage d’air dans chacune des alvéoles.

La couche unique de pièce est espacée de l’extrémité inférieure des distributeurs d’air 28 d’une hauteur H. L’unité de trempe peut par ailleurs comprendre une boîte à vent 25 disposée entre le système de ventilation 23 et les distributeurs d’air 28 pour assurer les rapports de section entre le système de ventilation 23 et les distributeurs d’air 28.

Dans le cadre de ce premier mode de réalisation, les pièces peuvent être posées horizontalement dans les paniers, ce qui est la solution la plus satisfaisante du point de vue du refroidissement. Les pièces peuvent également être posées verticalement dans les paniers ce qui permet d’accroître la capacité du traitement thermique. On notera ici que « horizontalement » ou « verticalement » s’entend par rapport à la plus grande surface de la pièce.

De préférence, en position horizontale, les pièces seront espacées de moins de 100 mm et encore de préférence de moins de 50 mm.

En position verticale, les pièces peuvent être posées dans des paniers séparées par des cloisons continues ou partielles de façon à les maintenir correctement proches de la position verticale, ces cloisons permettant aussi de canaliser le flux d’air.

De préférence, en position verticale, ces cloisons seront en acier formant un ensemble d’alvéoles juxtaposées, chacune jointive avec ses voisines les plus proches, dans lesquelles les pièces peuvent être introduites à raison d’une pièce par alvéole. L’espace entre la pièce et l’alvéole, appelé E, est défini de la manière suivante pour chaque dimension de l’alvéole, par exemple la longueur et la largeur. Pour dimension caractérisée, 2 X E est égal à la différence entre l’enveloppe de la pièce construite en entourant la pièce d’une forme identique à la forme de l’alvéole et la taille réelle de l’alvéole.

De préférence, on choisit la forme de l’alvéole de telle sorte que dans toutes les dimensions E soit à peu près identique, à quelques mm près, c’est-à dire en adaptant la forme du panier à la pièce à traiter. E ainsi défini sera de préférence inférieur à 60 mm, et de préférence encore inférieur à 30 mm, sa plus petite dimension étant à ajuster au cas par cas, selon la géométrie réelle de la pièce pour pouvoir maintenir les débits d’air présentés précédemment. On peut ainsi avoir une valeur de E proche de zéro, c’est-à-dire simplement l’espace nécessaire pour charger la pièce dans l’alvéole, si de par sa géométrie intrinsèque la pièce laisse le passage d’air requis.

Les pièces peuvent aussi être suspendues ou maintenues par des supports dans le panier. Dans ce cas, l’alvéole préalablement décrite n’est pas forcément matérialisée, mais on gardera les mêmes préférences de valeurs de E décrites ci-dessus par rapport à l’espace alloué à chaque pièce (l’équivalent de l’alvéole).

Le procédé selon l’invention peut également s’étendre à la réalisation, en sus de la trempe à l’air appliquée à la couche unique, à la réalisation de l’opération de mise en solution préalable à la trempe et/ou à la réalisation de l’opération de revenu postérieure à la trempe.

Dans de tels cas de figure, mise en solution et revenu sont effectués en enfournant dans les fours correspondants de mise en solution et de revenu des charges constituées de paniers empilés les uns sur les autres de manière à utiliser au mieux la capacité du four batch conventionnel. En d’autres termes, la mise en solution et le revenu sont réalisés conventionnellement en chargeant le lot de pièces réparti en plusieurs couches de pièces dans le four.

Suite à la mise en solution, on réalise donc le désempilage des paniers tels que décrits précédemment, et on amène la couche unique de pièces dans l’unité de trempe.

Le temps de transfert entre le four de mise en solution (temps décompté à l’ouverture de la porte) et la mise en route du refroidissement à l’air ne doit pas dépasser 6 minutes, et de préférence se situer au dessous de 3 minutes 30 secondes. La Demanderesse a observé de façon surprenante que malgré ces temps de transfert assez longs, nécessaires pour permettre les opérations de désempilage de charge sur des gros fours, les propriétés mécaniques des pièces restaient élevées, dans ces conditions, pratiquement sans abattement de propriétés par rapport à une trempe immédiate après sortie de four.

Dans le cas où une opération de revenu (de durcissement structural) est pratiquée après la trempe, les paniers seront de préférence ré-empilés de façon à reconstituer la charge. Le portique 15 décrit précédemment peut aussi être utilisé à cet effet.

Selon un deuxième mode de réalisation possible de l’invention, présenté en référence aux figures 7 à 12, il est proposé d’utiliser un support de charge multicouches particulier qui présente une pluralité de moyens, superposés les uns aux autres, de support d’une couche de pièces. Chacun des moyens de support d’une couche de pièces comporte des traverses espacées les unes des autres.

En rège générale pour des charges de culasses, le poids des paniers et des supports en acier est de l’ordre de 0,5 tonnes pour 1 tonne d’aluminium effectivement traitée. Ce second mode de réalisation s’avère avantageux en ce qu’il permet de ne chauffer et de ne refroidir que les pièces, ce qui constitue une économie substantielle de consommation énergétique.

Ce support de charge multicouches 30 est représenté sur les figures 7 et 8. Sur ces figures, les références N1, N2 et N3 représentent les différents niveaux sur lesquels les couches de pièces sont superposées. Le support multicouches 30 présente une pluralité de moyens, superposés les uns aux autres, de support d’une couche de pièces sous la forme de traverses 31 espacées les unes des autres.

Sur la figure 7, seul le niveau N1 est représenté par souci de clarté, tandis que sur la figure 8, trois niveaux sont représentés, une couche de pièces 3 étant positionnée sur chaque niveau N1-N3.

On a représenté sur les figures 9 et 10, un support de manutention 40S des pièces sous la forme d’un râteau multi-peignes. Ce support présente un bras 40 depuis lequel s’étend une pluralité de peignes 41, chaque peigne étant apte à soutenir une couche de pièces. Les peignes 41 et les traverses 31 sont conformées de telle manière que les dents d’un peigne peuvent être introduites dans l’espace inter-traverses d’un moyens de support d’une couche de pièces du support de charge multicouches 30.

Ainsi, comme cela est schématisé par les flèches 47 sur les figures 8 et 9, le support 40S de manutention peut être avancé en direction du support de charge multicouches 30, les dents 42 de chacun des peignes 41 étant introduites entre les traverses 31 de chacun des moyens de support d’une couche de pièces. Puis, le support 40 peut être remonté de manière à que chacun des peignes soulève légèrement une couche de pièces. Enfin, le support 40 peut être éloigné du support 30 pour emporter les différentes couches de pièces.

Une fois les couches de pièces présentes sur le support de manutention 40, les pièces peuvent être transportées sur un support de charge similaire au support multicouches 30. On comprendra que les couches de pièces peuvent être déposées sur le support 30 depuis le support de manutention 40 en venant introduire les dents des peignes entre les traverses.

En particulier, il est possible de déposer les pièces sur un support multicouches 30 apte à être introduit dans un four batch, ou sur un support multicouches 30 présent dans un four batch. Le support de manutention 40S peut ainsi être utilisé en vue de charger et décharger un four batch pour y réaliser une opération de mise en solution ou une opération de revenu de couches de pièces en mode batch du lot de pièces.

En particulier après mise en solution, le support de manutention 40S est utilisé pour décharger le four de telle manière que les différentes couches de pièces sont disposées sur les différents peignes du support de manutention 40S.

Dans ce deuxième mode de réalisation, on manœuvre ensuite les pièces pour former une couche unique de pièces sur un chariot de transfert constitué de deux demi-chariots (dans l’hypothèse où deux niveaux de pièces sont à manœuvrer pour former la couche unique), et de façon générale du nombre de chariots correspondants au nombre de couches de pièces.

Cette manœuvre est représentée sur les schémas des figures 11 a-11 e.

En référence à la figure 11a, le support de manutention 40S est avancé selon la flèche 43 en direction de demi-chariots 44a, 44b (également dénommés chariots de réception par la suite). Chaque chariot de réception 44a, 44b est conformé pour recevoir une couche de pièces, et présente en particulier (cf. figure 13) des moyens de support d’une couche de pièces sous la forme d’un peigne présentant des dents 48 espacées les unes des autres.

Une fois que le support de manutention 40S est positionné au droit d’un premier chariot de réception 44b, ledit support 40S est abaissé de manière à ce que les dents du peigne inférieur du support 40S pénètrent dans les espaces inter-dents des moyens de support du chariot 44b. Les pièces 3 de la couche inférieure sont alors déposées sur le chariot 44b. On retire ensuite les dents du peigne inférieur du support 40S des espaces inter-dents du chariot 44b, et on remonte le support de manutention 40S comme cela est représenté sur la figure 11c.

Les chariots 44a, 44b sont alors avancés, par exemple le long d’un chemin motorisé, et on répète la même séquence d’opérations pour venir déposer la couche de pièces du peigne supérieur sur le chariot 44a.

Comme représenté sur la figure 11d, les pièces 3 du lot sont alors réparties sur les différents chariots de réception 44a, 44b en une couche unique, et les chariots sont alors amenés vers l’unité de trempe décrite précédemment en liaison avec le premier mode de réalisation possible de l’invention, schématisée en traits pointillés sur la figure 11e.

On notera ici qu’une opération de revenu peut être réalisée suite à la trempe. Le support de manutention 40S est alors utilisé pour manœuvrer les pièces après trempe selon des opérations similaires à celles qui viennent décrites et reconstituer la charge multicouches avant de l’enfourner dans le four batch de revenu.

On a représenté sur la figure 12, un schéma d’un mode de réalisation possible du support de manutention 40S de type râteau multi-peignes utilisé dans ce second mode de réalisation possible de l’invention.

Le support 40S peut comporter un premier chariot 45 roulant sur des rails pour assurer un mouvement longitudinal du support 40S dans la direction indiquée par la flèche F45. Il peut également comporter un deuxième chariot roulant 46 apte à se déplacer latéralement sur le premier chariot C1 dans la direction indiquée par la flèche F46. Le support 40S peut en outre présenter un axe Δ permettant la rotation d’un bras principal B, lui-même guidant un bras mobile B’ solidaire des peignes.

Exemples

On décrit ci-après différents exemples de mise en œuvre de l’invention. Dans tous ces exemples, des culasses diesel quatre cylindres en ligne ont été moulées en gravité statique en moule métallique, face feu vers le bas, avec une semelle en acier refroidie de façon énergique de façon à obtenir une microstructure fine que ΙΌη peut caractériser par la mesure du SDAS (« Secondary Dendrite Arm Spacing »), avec des valeurs de l’ordre de 30 microns dans la zone où sont prélevées les éprouvettes de traction servant à caractériser le matériau.

La température métal à la coulée est de 720°C à l’arrivée dans le godet de coulée du moule, d’où partent les chenaux d’alimentation pour remplir le moule au travers des attaques situées au pied de la pièce.

La mise au mil, ratio entre le poids coulé (pièce plus système d’alimentation, plus masselottes) et le poids de la pièce est de 1,7. La pièce moulée pèse 14,1 kg.

Tout le noyautage est réalisé en procédé de type « boite froide », pour la réalisation des formes intérieures : conduits d’admission, d’échappement, de circulation d’eau, d’huile et pour la réalisation du noyau contenant les masselottes, réserve de métal située au dessus de la pièce elle-même et permettant l’alimentation en métal liquide pendant la solidification et la contraction de la pièce.

Le temps de cycle de moulage est de l’ordre de 5 minutes de pièce à pièce. L’alliage est de type AA 356, de première fusion, avec une composition chimique donnée ci-après en pourcentage pondéraux :

L’alliage a sa structure eutectique modifiée par ajout de strontium.

Après coulée, la pièce est extraite du moule et refroidie dans un tunnel à air forcé de telle sorte qu’elle soit refroidie jusqu’à la température de 50 °C en un temps de l’ordre de 120 minutes.

Les culasses sont ensuite soumises aux opérations habituelles de parachèvement (élimination des systèmes de remplissage, débourrage, sciage des masselottes, ébavurage) puis aux différents traitements thermiques suivants. S Essai n°1 : Traitement thermique hors du champ de l’invention comprenant : - Une mise en solution 6 h à 540°C dans un four conventionnel. - Une trempe dans de l’eau chaude à 70°C. - Un revenu de 6h à 200°C dans un four conventionnel. S Essais N° 2 à 5 : Traitement thermique conforme à l’invention comprenant : - Une mise en solution 6 h à 540°C dans un four conventionnel. - Un positionnement des pièces verticalement dans des paniers à fond grillagé et à alvéoles (reposant sur le fond) dont la hauteur dépasse de 150 mm la surface supérieure de la culasse. - Un transfert des pièces du four de mise en solution vers l’unité de refroidissement à l’air pour la trempe, avec un support de manutention conforme à celui décrit en relation ave l’exposé du seconde mode de réalisation possible de l’invention en 1 minute 30 secondes. - Une trempe à l’air conforme à l’invention, avec les paramètres critiques de refroidissement suivants :

o la surface supérieure des alvéoles est située à 50 mm de la surface inférieure du distributeur d’air de la boite à vent. La distance H entre les pièces et la partie inférieure de la distribution d’air située sous la boite à vent est donc de 200 mm. o Essai N°2 Débit d’air 1100 m3/h et pièce

Espace pièce alvéole : 15 mm en largeur et en longueur, o Essai N°3 Débit d’air 3200 m3/h et pièce

Espace pièce alvéole : 40 mm en largeur et en longueur, o Essai N°4 Débit d’air 3200 m3/h et pièce

Espace pièce alvéole : 15 mm en largeur et en longueur, o Essai N°5 Débit d’air 1700 m3/h et pièce

Espace pièce alvéole : 15 mm en largeur et en longueur. X Essai N° 6 : Traitement thermique conforme à l’invention comprenant : - Une mise en solution 6 h à 540°C dans un four conventionnel. - Un positionnement des pièces verticalement dans des paniers à fond grillagé et à alvéoles (reposant sur le fond) dont la hauteur dépasse de 150 mm la surface supérieure de la culasse. - Un transfert des pièces du four de mise en solution vers l’unité de refroidissement à l’air pour la trempe, avec un support de manutention conforme à celui décrit en relation ave l’exposé du seconde mode de réalisation possible de l’invention, en 3 minutes. - Une trempe à l’air conforme à l’invention, avec les paramètres critiques de refroidissement suivants : o La surface supérieure des alvéoles est située à 50 mm de la surface inférieure du distributeur d’air de la boite à vent. La distance H entre les pièces et la partie inférieure de la distribution d’air située sous la boite à vent est donc de 200 mm. o Débit d’air 3200 m3/h et pièce o Espace pièce alvéole : 15 mm en largeur et en longueur. K Essais N° 7 : Traitement thermique conforme à l’invention comprenant : - Une mise en solution 6 h à 540°C dans un four conventionnel. - Un positionnement des pièces horizontalement dans des paniers à fond grillagé. - Un transfert des pièces du four de mise en solution vers l’unité de refroidissement à l’air pour la trempe, avec un support de manutention permettant de remplir les fonctions décrites dans la variante de réalisation de l’invention en 1 minute 30 secondes. - Une trempe à l’air conforme à l’invention, avec les paramètres critiques de refroidissement suivants : o Les culasses sont placées face feu vers le haut o La distance H entre le haut des culasses et la base du distributeur d’air situé sous la boite à vent est de 150 mm. o Débit d’air 3200 m3/h et pièce o Espace inter-pièces: 40 mm environ (équivalent à E=20mm)

Dans tous les essais n°2 à 7 conformes à l’invention, les pièces sont refroidies par l’opération de trempe jusqu’à la température ambiante, puis soumises au même revenu que pour l’essai n°1, soit: 6 heures à 200°C dans un four conventionnel batch.

Il s’agit pour cet alliage et pour tous les exemples cités, d’un traitement thermique de type T7, c’est-a-dire avec un sur-revenu au delà du pic de durcissement maximal de l’alliage.

Caractérisation des culasses

Les culasses ont fait l’objet de caractérisation à l’ambiante en traction et en dureté.

Les propriétés de traction sont mesurées selon la norme AFNOR EN 10002-1 dans la face feu, au niveau des pontets inter-soupapes par des éprouvettes de traction de diamètre 6,18 mm et de longueur calibrée 36,2 mm. Chaque mesure est la moyenne de 4 éprouvettes par pièce, pour 3 pièces.

La dureté Brinell est mesurée selon les normes AFNOR EN ISO 6506 -1 et ASTM E10-06 dans la face feu également. Une mesure est réalisée par pièce, pour cinq pièces.

De plus des thermocouples ont été placés dans les culasses, à cœur de la tablature vers la face feu de la culasse pour mesurer la vitesse de refroidissement, que l’on a caractérisée par le temps nécessaire pour amener la culasse de 430°C à 70°C.

Les résultats sont reproduits dans le tableau suivant.

L'ensemble de ces résultats montre qu’il est possible d’approcher les caractéristiques mécaniques des culasses trempées à l’eau (essai n° 1) avec des traitements thermiques selon l’invention mettant en œuvre une trempe à l’air (essais N° 2 à 7) appliquée à une couche unique de pièces constituée des pièces du lot.

Cette trempe à l’air a de plus l’avantage de ne pas générer de contraintes résiduelles dans les pièces, ce qui est de façon général très bénéfique à la durée de vie des culasses en service. Ceci élargit aussi les possibilités de choix de revenu, le sur-revenu étant souvent imposé pour essayer de réduire les contraintes résiduelles générées à la trempe à l’eau.

De plus le procédé selon l’invention procure des plages de fonctionnement larges du point de vue de l’opération industrielle.

On constate par exemple que pour des valeurs de E de l’ordre de 15mm, dès que l’on dépasse un débit d’air de 1700 m3/h et par pièce, les caractéristiques mécaniques de la pièce atteignent une asymptote, cela bien que la vitesse de refroidissement continue de croître (essais n° 4 et 5).

Il apparaît également qu’il est souhaitable de ne pas descendre au dessous de 1700 m3/h et par pièce (voir essai n°2) si on veut rester proche du niveau de résistance maximal accessible par ces méthodes de trempe à l’air, ce qui justifie les plages de débit préférentielles selon l’invention.

On voit aussi l’intérêt de maintenir E à un niveau aussi petit que possible (cf. essais n° 3 et 4).

Il est par ailleurs possible de tremper les pièces horizontalement ou verticalement.

Le fait que 1mn 30 de transfert (c’est-à-dire le temps s’écoulant entre l’ouverture de la porte du four de mise en solution et le début du refroidissement forcé à l’air) donne pratiquement le même résultat que 3 minutes de transfert laisse la possibilité de réaliser dans de bonnes conditions mécaniques de vitesses et d’accélérations notamment, les opérations de manœuvre de la charge pour former la couche unique de pièces (essais n° 4 et 6). Ce résultat fort surprenant par rapport aux pratiques usuelles de la trempe qui imposent pour les alliages de moulage des temps de transferts très courts, de l’ordre de 15 secondes maximum en général, a fait l’objet de multiples confirmations par la Demanderesse. A cette occasion, il a été mis en évidence qu’au delà de 6 minutes 30 secondes de temps de transfert, les abattements de propriétés mécaniques deviennent significatifs.

Claims (22)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie, dans lequel on applique une trempe à l’air aux pièces du lot disposées en une couche unique.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel préalablement à la trempe les pièces du lot sont agencées sur plusieurs couches, et dans lequel on manœuvre les couches de pièces pour former la couche unique constituées des pièces du lot, et on amène la couche unique sous un système de ventilation de manière à réaliser l’opération de trempe à l’air.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le système de ventilation délivre un flux d’air de débit supérieur à 1000 m3/h et par pièce, de préférence supérieur à 1700 m3/h et par pièce.
4. 4. Procédé selon l’une des revendications 2 à 3, dans lequel la manœuvre des couches de pièces consiste à désempiler des paniers dans lesquels les pièces sont disposées.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel préalablement à la trempe les paniers sont empilés en un premier emplacement d’un chariot de transfert disposant de plusieurs emplacements de pile de paniers, les paniers empilés formant audit premier emplacement une pile de paniers comprenant une première couche de paniers et au moins une seconde couche de paniers, et dans lequel pour désempiler les paniers, on soulève les paniers de la couche supérieure, on fait avancer le chariot de transfert, et on dépose les paniers de la couche supérieure en un second emplacement du chariot de transfert, et ainsi de suite s’il y a plus de deux couches de paniers.
6. 6. Procédé selon l’une des revendications 4 à 5, dans lequel les pièces sont posées horizontalement dans les paniers et espacées de moins de 100mm, de préférence de moins de 50 mm.
7. 7. Procédé selon l’une des revendications 4 à 5, dans lequel les paniers sont séparés par des cloisons et dans lequel les pièces sont posées verticalement dans les paniers.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les cloisons forment un ensemble d’alvéoles, les pièces étant disposées à raison d’une pièce par alvéole de telle sorte que l’espace entre la pièce et l’alvéole soit inférieur à 60 mm, et de préférence inférieur à 30 mm.
9. 9. Procédé selon l’une des revendications 4 à 5, dans lequel les pièces sont suspendues ou maintenues par des supports dans les paniers.
10. 10. Procédé selon l’une des revendications 2 à 3, dans lequel la manœuvre des couches de pièces consiste à déposer successivement chaque couche de pièces sur un chariot de réception adapté pour recevoir une couche unique de pièces.
11. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les pièces sont déposées depuis un support de manutention sous la forme d’un râteau multi-peignes, chaque peigne étant apte à soutenir une couche de pièces, et dans lequel pour déposer successivement chaque couche on répète les opérations consistant à présenter au droit du support de manutention un chariot de réception présentant des moyens de support d’une couche de pièces sous la forme d’un peigne comportant des dents espacées les unes des autres, à descendre le support de manutention de sorte que les dents d’un peigne du support de manutention soient introduites dans les espaces inter-dents du chariot de réception pour déposer une couche de pièces sur le chariot de réception, et à remonter le support de manutention.
12. 12. Procédé selon l’une des revendications 2 à 11, comprenant préalablement à la trempe une opération de mise en solution réalisée dans un four chargé avec les pièces du lot disposées sur plusieurs couches.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le temps de transfert entre l’ouverture du four à l’issue de la mise en solution, et la mise en route du refroidissement à l’air est inférieur à 6 minutes, de préférence inférieur à 3 minutes 30 secondes.
14. 14. Procédé selon l’une des revendications 12 ou 13, en combinaison avec la revendication 10, dans lequel les pièces sont extraites du four de mise en solution à l’aide dudit support de manipulation.
15. 15. Procédé selon l’une des revendications 2 à 14, dans lequel suite à la trempe, on manœuvre les pièces pour les redisposer sur plusieurs couches, et on réalise une opération de revenu des pièces réalisée dans un four chargé avec les pièces du lot disposées sur plusieurs couches.
16. 16. Procédé selon la revendication 15, en combinaison avec la revendication 11, dans lequel suite à la trempe les pièces sont manœuvrées et chargées dans le four de revenu à l’aide dudit support de manipulation.
17. 17. Système de traitement thermique d’un lot de pièces de fonderie comprenant un système de ventilation pour provoquer un flux d’air de refroidissement, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens pour disposer les pièces du lot en une couche unique, et des moyens pour amener la couche unique de pièces sous le système de ventilation de manière à appliquer une trempe à l’air aux pièces du lot disposées en une couche unique.
18. 18. Système selon la revendication 17, dans lequel le système de ventilation délivre un flux d’air de débit supérieur à 1000 m3/h et par pièce, de préférence supérieur à 1700 m3/h et par pièce.
19. 19. Système selon l’une des revendications 17 ou 18, comprenant des distributeurs d’air disposés entre le système de ventilation et la couche unique de pièces pour canaliser le flux d’air de refroidissement.
20. 20. Système selon l’une des revendications 17 à 19, dans lequel les moyens pour disposer les pièces du lot en une couche unique comprennent des moyens pour désempiler des paniers dans lesquels les pièces sont disposées.
21. 21. Système selon l’une des revendications 17 à 19, dans lequel les moyens pour disposer les pièces du lot en une couche unique comprennent un support de manutention sous la forme d’un râteau multi-peignes, chaque peigne étant apte à soutenir une rangée de pièces.
22. 22. Système selon la revendication 21, dans lequel le support de manutention est conformé pour coopérer avec un chariot de réception comprenant des moyens de support d’une couche de pièces sous la forme d’un peigne comportant des dents espacées les unes des autres, de telle sorte que les dents d’un peigne du support de manipulation peuvent être introduites dans les espaces inter-dents du chariot de réception pour déposer, respectivement emporter, une couche de pièces sur, respectivement depuis, ledit chariot.