Lorsque l'on parle de traitement thermique, on commence généralement par évoquer la température que doit atteindre un four pour transformer des pièces métalliques. Mais c'est souvent le processus de trempe (ou de refroidissement) qui détermine en grande partie les résultats finaux.
Qu'est-ce que la trempe ?
La trempe est le processus de refroidissement des pièces métalliques après avoir atteint et maintenu une température spécifique pendant le traitement thermique. La méthode et la vitesse de la trempe déterminent généralement la catégorie d'un processus de traitement thermique. Les procédés de traitement thermique les plus courants sont le recuit, la normalisation, la trempe, le revenu et la trempe superficielle. Chaque procédé crée une qualité qui aura des utilisations différentes ou fera partie d'un processus différent de fabrication d'un produit final en plusieurs étapes.
Un temps de trempe plus lent, comme dans le cas du recuit ou de la normalisation, permet d'obtenir des pièces métalliques élastiques, pliables ou pouvant être extrudées sous forme de fil. En revanche, un processus de refroidissement plus rapide permet d'obtenir des pièces durcies en surface ou à cœur, nécessaires à la fabrication de tout type de pièces, des boulons aux forets en passant par les arbres à cames. Le revenu d'une pièce durcie en réchauffant le métal à des températures légèrement inférieures avec un temps de refroidissement plus lent peut aider à relâcher certaines des contraintes internes du métal tout en augmentant la résistance, générant un matériau moins cassant et très ductile.
Souvent, une même pièce peut subir plusieurs opérations de traitement thermique. Il est utile d'imaginer un processus de traitement thermique en plusieurs étapes de la manière suivante : Imaginez que vous preniez un disque de métal souple et que vous y tailliez des dents pour lui donner le profil d'un engrenage, puis que vous durcissiez l'engrenage dans un four à haute température, que vous le rectifiiez pour obtenir les tolérances requises, et enfin que vous le trempiez pour lui conférer de la ductilité. La qualité du métal change au cours de chaque processus pour faciliter l'usinage, définir une arête avec une grande précision ou assurer la longévité de la pièce achevée.
Chaque processus et le produit final correspondant jouent un rôle important dans la fabrication d'aujourd'hui. Par conséquent, Ipsen a continué à trouver des moyens d'offrir plus d'options et un meilleur contrôle du processus de trempe à ses clients.
C'est une histoire plutôt sympa
En 1978, lorsque Craig Moller, ingénieur en chef pour Ipsen USA, a commencé à travailler chez Ipsen, les fours à vide avaient la capacité de traiter une solution de refroidissement par gaz à pression positive allant jusqu'à dix psi en utilisant des moteurs de 40 chevaux. C'est à peu près l'équivalent d'un plongeon dans la partie profonde d'une piscine de trois mètres, ou de la pression d'air à l'intérieur d'un pneu de voiture très plat. "C'était une technologie de pointe à l'époque", se souvient M. Moller.
Aujourd'hui, Ipsen a fabriqué des fours avec des moteurs de refroidissement de 600 hp fournissant jusqu'à 15 bars de pression de trempe. C'est environ dix fois la pression des machines d'il y a 45 ans.
La pression des gaz est importante en raison de la thermodynamique. Plus un matériau est dense, qu'il s'agisse d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz, plus la chaleur se transfère facilement d'une substance à l'autre. C'est la raison pour laquelle une tasse thermique isolée sous vide peut garder les boissons chaudes chaudes et les boissons froides plus longtemps qu'un gobelet en plastique - le vide minimise le transfert de chaleur.
Moller a expliqué pourquoi la pression de trempe est un aspect si important de l'innovation au fil des ans : "Lorsque vous triplez la pression du gaz, vous doublez la vitesse de refroidissement d'un système de trempe et des pièces à tremper".
Et lorsqu'il s'agit de durcir des métaux spécifiques utilisés pour fabriquer des filières, un système de trempe rapide et propre est essentiel. Par exemple, "lorsque les clients recherchent des filières pour l'extrusion d'aluminium afin de fabriquer des pièces utilisées dans un véhicule électrique, ces fours sous vide à haute pression fournissent des filières propres qui sont durcies en surface pour assurer la longévité de la filière", explique M. Moller. Ces filières propres peuvent garantir un niveau élevé de précision dans les pièces extrudées.
Jouer la carte de la fraîcheur
Pendant un certain temps, la course à la création d'un processus de trempe plus rapide était axée sur la pression - plus de pression signifiait que les pièces étaient refroidies plus rapidement. Au début, 90 % des innovations en matière de traitement thermique portaient sur le processus de chauffage. Finalement, la nécessité de réduire les pièces rebutées en raison de fissures et de distorsions thermiques a exigé de meilleures solutions pour le processus de trempe. "Cela a été un grand changement", explique Jim Grann, directeur technique d'Ipsen. "Aujourd'hui, l'équilibre est plus proche de 50/50 lorsqu'il s'agit de développer des technologies de chauffage et de trempe.
M. Grann participe au processus d'innovation depuis 1978, date à laquelle il a travaillé pour Abar avant sa fusion avec Ipsen. "Ce qui stimule l'innovation dans le domaine de la trempe, c'est la nécessité de créer le refroidissement le plus rapide possible, tout en permettant de contrôler le processus. Des vitesses de refroidissement non contrôlées peuvent ajouter des contraintes inhérentes aux pièces. Refroidir plus vite sans déformation est la clé".
Les commandes PLC d'aujourd'hui peuvent réagir en temps réel pour modifier une recette en cours de processus si les thermocouples détectent une réaction anormale pendant la trempe. "Par exemple, une recette peut indiquer que la température à cœur et la température de surface d'une pièce ne doivent pas dépasser un écart de température très précis. L'automate programmable peut surveiller les températures et ralentir la trempe en réduisant la pression, la circulation des gaz ou même en réchauffant le four. Les pièces chauffent d'abord à l'extérieur, mais elles refroidissent aussi d'abord à l'extérieur, ce qui permet au four de réagir en conséquence", explique M. Grann.
Les différentes lignes de fours sous vide d'Ipsen, associées à des systèmes PLC modernes, permettent aux utilisateurs finaux de mieux contrôler leur processus qu'auparavant. Les lignes TITAN, MetalMaster et TurboTreater ont une large gamme de capacités de trempe en utilisant une conception de flux à 360 degrés qui peut servir des douzaines de processus de traitement thermique différents. Les lignes spécialisées comme le Turbo²Treater et le VUTK peuvent être conçues pour résoudre des recettes spécifiques et fréquemment répétées qui nécessitent un contrôle important du flux de gaz de trempe, fournissant un refroidissement directionnel du gaz à partir de n'importe quel angle à l'intérieur de la chambre.
"Parfois, un flux de gaz unidirectionnel est judicieux. Pensez à la trempe d'un long tuyau. Si le gaz s'écoule simultanément des deux extrémités, il se rencontre au milieu et crée une zone morte statique. Un flux de gaz alternant d'une extrémité à l'autre minimise les différences de température", explique M. Grann.
Les options de gaz de trempe directionnels, les contrôles de pression variables et la surveillance active de la température peuvent permettre aux opérateurs de s'assurer que les pièces à géométrie simple ou complexe ont le même taux de réussite. "Si vous nous dites ce que vous voulez faire, quel matériau vous utilisez, combien de pièces vous voulez traiter en un jour, une semaine ou un mois - dites-nous ce que vous voulez accomplir, et nous pourrons trouver une solution".
Avec une gamme de conceptions de fours et d'options de contrôle PLC, Grann est certain qu'Ipsen peut concevoir un four pour à peu près n'importe quel procédé. "Il y a encore des taux de trempe que nous ne pouvons pas atteindre pour la même raison que ma Toyota 4Runner ne peut pas aller à 240 mph... nous ne pouvons pas vaincre la physique", pense Grann.
Les innovations, telles que celles dont Moller et Grann ont été témoins au cours de leur carrière, sont en grande partie le fruit des efforts déployés pour répondre aux demandes uniques des clients sur un marché en constante évolution.
Si vous avez un problème de trempe unique qui nécessite une solution personnalisée, contactez-nous à l'adresse suivante sales@ipsenusa.com ou en appelant le 800-727-7625.