Alimentation en vide fiable pour la nitruration au plasma

HWL Löttechnik GmbH à Berlin est experte dans le traitement thermique de l’acier et autres métaux, essentiellement à destination des industries aérospatiale, automobile et des centrales électriques. L’entreprise dispose de quasiment tous les types de traitement thermique : durcissement et recuit par induction, durcissement, recuit et brasage sous vide, et tous les types de cémentation. Pour le processus de nitruration au plasma, HWL s’appuie sur la technologie de vide de Busch utilisée dans le four de nitruration.
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L'entreprise HWL Löttechnik est fondée en 1981 dans une cour de Berlin-Wedding, en Allemagne, avec un seul employé. En 1983, HWL fait fonctionner le tout premier four sous vide de Berlin. Depuis, l'entreprise s'est spécialisée dans le traitement thermique de l'acier et autres métaux, dont le titane. En 1996, l'entreprise déménage dans un nouveau bâtiment de Berlin-Reinickendorf, puis en 2006, elle emménage dans un second site. Aujourd'hui, HWL compte 30 employés et prévoit déjà de s'agrandir avec un troisième site. Les équipements fonctionnent 365 jours par an.

Kai Lembke travaille dans l'entreprise familiale HWL depuis 2004 ; il est actionnaire et membre du comité de direction depuis 2011. Il considère son entreprise comme un partenaire de développement au service de ses clients qui viennent souvent le rencontrer avec simplement une idée ou un concept. Ces idées constituent la base de prototypes qui seront ensuite produits à petite échelle avant de déboucher, le plus souvent sur une production à grande échelle. Les processus de développement comprennent des étapes complexes nécessitant une collaboration étroite avec le client afin de trouver la solution la plus appropriée. La participation d'HWL au sein de l'association de recherche Rolls Royce Aerospace représente à elle seule la reconnaissance des compétences de l'entreprise familiale.

Chez HWL, la nitruration au plasma prend une place importante dans le traitement thermique. L'entreprise possède plus de 30 ans d'expérience avec ce procédé. Aujourd'hui, les systèmes et les technologies de pointe employés garantissent un contrôle et une surveillance continus de la structure et de la composition du composite et des couches de diffusion. Du plasma à courant continu pulsé est utilisé afin d'obtenir des résultats de traitement thermique uniformes. L'avantage est que de ce procédé thermochimique peut être réalisé à des températures comparativement basses comprises entre 520 et 580 °C. Des porteurs de charges libres pour la transmission de l'électricité doivent être disponibles pour rendre le plasma électriquement conducteur. À pression atmosphérique, des températures économiquement irréalistes seraient nécessaires pour produire la conductivité électrique du plasma. HWL utilise par conséquent des pressions de 2,5 millibars, ce qui permet un traitement thermique en dessous de 600 °C. Les températures basses, par rapport aux autres méthodes de traitement thermique, ont un effet extrêmement positif sur la déformation des composants. Autre avantage de cette méthode : les différentes sections des composants qui n'ont pas besoin d'être nitrurées peuvent être mécaniquement masquées et donc exclues du processus de nitruration, les propriétés de la surface sous les sections masquées ne sont pas modifiées.


Fig. 1: Système de vide comprenant une pompe à palettes lubrifiées R 5 et une pompe booster Puma de Busch

Avant le processus de nitruration au plasma, les composants à traiter sont positionnés précisément sur le dispositif de montage. Les nombreuses années d'expérience d'HWL leur permettent de positionner les pièces de façon optimale dans le four pour atteindre les propriétés de surface requises. Une fois la procédure de chargement terminée et le four fermé, la pression atmosphérique est évacuée pour atteindre la pression de processus requise. Le four est ensuite chauffé à l'aide d'un chauffage mural. Au terme du processus de chauffage, les composants sont exposés à une décharge luminescente dans une atmosphère sous azote ce qui créé un plasma. L'azote se dissocie dans le processus, s'ionise et s'enflamme à la surface des composants. La température de traitement exacte et la durée de la nitruration dépendent du matériau, de la taille et de la nature des composants, ainsi que des profondeurs de nitruration recherchées. Après le processus de nitruration, le four et les composants sont refroidi. L'ensemble du processus dure entre 17 et 30 heures. Le système de vide fonctionne pendant toute cette durée (fig. 1).

Après des retours d'expériences positifs avec d'autres systèmes de traitements thermiques équipés de pompes à vides Busch, HWL a investi en 2013 dans nouveau four de nitruration, équipé également de pompes à vides de la société Dr.-Ing. K. Busch GmbH. Ce dernier comprend une pompe à palettes lubrifiées R 5 à l'huile en guise de pompe primaire et une pompe booster Puma. Ce système de vide atteint un vide limite de <1 x 10-2 mbar alors que la pression de fonctionnement réelle pendant le processus est de 2,5 millibars. La capacité d'aspiration optimale utilisée pour ce système de vide est la plus élevée dans cette plage d'utilisation (fig. 2). 


Fig. 2: Capacité d'aspiration du système de vide

Au début du processus, la pompe à palettes lubrifiées R 5 chasse la pression atmosphérique du four pour obtenir un vide primaire de 100 millibars. La pompe booster Puma est ensuite activée. En tant que booster, elle augmente considérablement la capacité d'aspiration du système de vide pour atteindre rapidement la pression requise pour le processus et le maintien de façon stable.
En combinant la pompe à vide à palettes lubrifiées et ses commandes, spécialement programmées pour ce processus, il est possible d'atteindre une capacité d'aspiration maximale avec une consommation d'énergie la plus faible possible.

Le maintien précis du vide de fonctionnement et la capacité d'aspiration garantissent la réalisation et la répétitivité du processus, ce qui permet d'obtenir les propriétés précises requises pour ce produit. La plupart du temps, HWL utilise la nitruration au plasma pour le traitement des aciers inoxydables fortement alliés, mais également pour les aciers de construction ou les métaux frittés.
Depuis le démarrage du four de nitruration en 2013, aucun dysfonctionnement ni aucune défaillance du système de vide n'ont été signalés, alors qu'il fonctionne sans interruption. Le fonctionnement continu est interrompu uniquement pendant les périodes de configuration ou de placement.

Pour Kai Lembke, la fiabilité absolue de la technologie de vide bénéficie est la plus haute priorité. En effet, une défaillance du système de vide pendant le processus pourrait rendre inutilisable tout le lot de composants de précision de première qualité et coûteux. Pendant cette période, aucun dysfonctionnement de l'alimentation en vide n'a jamais été enregistré. C'est pourquoi il est clair pour Kai Lembke que seuls les systèmes de nitruration valent la peine d'être pris en considération pour l'agrandissement prévu de l'entreprise et que la division « nitruration au plasma » doit être équipée de la technologie de vide Busch.
La maintenance du système de vide est limitée au strict minimum. Outre l'inspection visuelle quotidienne du niveau d'huile, l'huile dans la pompe à palettes rotatives R 5 et dans l'engrenage de la pompe booster Puma est remplacée tous les deux ans. Kai Lembke sait également que le centre de services Busch est situé à proximité et qu'il peut se rendre immédiatement sur site en cas de besoin.


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