L’utilisation des sels pour la trempe
Rédigé dans le cadre de la commission « Fluides et systèmes de trempe »
N.B : Les informations contenues dans cette fiche proviennent de sources dignes de foi. Néanmoins, elles sont fournies sans aucune garantie, expresse ou tacite, de leur exactitude.
I. Description et classification :
Les sels de trempe sont constitués d’un mélange de sels nitrate de sodium / nitrite de potassium ; nitrate de sodium/ nitrate de potassium ou uniquement de nitrate de sodium formant un eutectique dont le point de fusion est situé entre 140°C et 330°C, selon le mélange. Ils sont globalement utilisés dans la gamme de température 180-550°C.
Le choix des sels et la température de travail va avoir un impact sur la viscosité du fluide utilisé. Plus le sel est fluides, moins il y a d’entrainement, Pour le choix du produit, il est donc préférable de travailler avec le sel qui aura la viscosité la plus faible, dans les conditions de travail.
Les sels de trempe sont mis en œuvre dans des fours à creuset à chauffage externe munis d’un système de brassage. Les installations peuvent également comporter un circuit de refroidissement immergé pour limiter l’élévation de la température du bain de sels dans le cas de production intensive. Un serpentin dans lequel circule de l’eau est placé au fond de la cuve.
On peut également trouver une pompe à sel qui permet la vidange de la cuve en cas de nécessité (exemple : observation de l’état de la cuve). Il faudra veiller à légèrement surchauffer le bain pour éviter qu’il se solidifie pendant l’extraction)
Les sels de trempe sont employés pour :
la trempe de pièces sensibles à la déformation, les pièces cémentées ou austénitisées en bains de sels ainsi que sous atmosphère protectrice (four batch ou fours à tapis),
la trempe bainitique,
le revenu des pièces trempées (exemple de cas dans l’aéronautique).
Les pièces chauffées ne doivent pas atteindre des températures supérieures à 980°C au moment de l’immersion de la charge dans les bains de sels nitrate / nitrite, si l’on souhaite éviter l’oxydation es bains.
Une fois immergées dans le bain de sel, un rinçage est généralement effectué à l'eau dans une installation de bacs connectés en cascade inverse (généralement 3) avec agitation et chauffage.
Les eaux chargées du premier bac de rinçage sont envoyées dans un bac de stockage qui alimente un évaporateur. Ainsi Les résidus secs obtenus peuvent être réutilisés afin d'effectuer la mise à niveau du bain de sel.
II. Avantages et Inconvénients.
Avantages :
Réalisation de trempe étagée : bainitique, martensitique ou bainito-martensitique
faibles déformations,
pas de risque d’incendie,
pas de vieillissement puisque l’oxydation des bains est quasi impossible,
large gamme de température de travail.
Inconvénients :
Maintenance du bain,
Rinçages supplémentaires,
Contraintes d’utilisation HSE (projections, fumées, explosion en cas de surchauffe, traitement des boues)
le positionnement des pièces pour éviter l’entrainement des sels lors de l’extraction de la charge du bain de sel en fusion.
III. Mécanisme de refroidissement.
Le mécanisme de refroidissement est différent de celui des liquides de trempes (huiles, polymères). En effet, les phases de caléfaction / ébullition sont inexistantes ce qui a pour avantage d’offrir un refroidissement rapide et uniforme de toute la pièce notamment au passage de la température de transformation Ms. Les lois de refroidissement obtenues à l’aide d’un drasticimètre (Inconel) sont visibles dans la figure 1.
Figure 1 : Courbes de refroidissement avec un sel à 180°C.
On s’aperçoit que l’on peut faire varier la drasticité du milieu, en mettant en place un dispositif d’ajout et de contrôle automatique d’eau (Cf. Figure 2). On s’aperçoit que la caractéristique Vmax obtenue après un essai de drasticité, est supérieure à ce que l’on obtient traditionnellement avec beaucoup d’huiles de trempe.
Figure 2 : Installation bain de sel avec ajout d’eau pour la variation de la drasticité.
IV. Contrainte d’utilisation HSE :
La manutention à l’état solide est effectuée à l’aide des EPI (gants, masques à poussières).
A l’état fondu, les équipements de protection contre les risques de brûlures sont nécessaires. Des projections de sels fondus sont envisageable (exemple : immersion de pièces humides)
Il faut également être vigilant au niveau de la surchauffe répétée des sels qui peuvent entraîner l’explosion du bain.
Le captage des fumées est assuré à l’aide de systèmes d’aspiration situé au niveau supérieur des fours. Le traitement des fumées est recommandé (surtout avec les sels de chlorure de baryum).
Les sels de trempe ne doivent pas être stockés avec des produits comburants ; ils doivent être soigneusement conditionnés dans des emballages hermétiques pour éviter toute prise d’humidité.
Les boues, composées de carbonate de sodium, une fois écrémées doivent être stockées et traitées par une entreprise spécialisée dans ce domaine.
V. Maintenance et vieillissement :
La formation de carbonates dans le bain de sel de trempe nécessite une surveillance et une maintenance.
La température d’utilisation du bain détermine le taux de carbonate admissible dans le bain. Ainsi plus la température du bain est faible et moins les carbonates seront solubles dans le bain et pourront venir se coller sur les pièces de la charge à traiter. Cela pourra avoir comme conséquence la création de points mous associés à un mauvais transfert de calories de la pièce vers le bain.
Les analyses en laboratoire des échantillons de bains en service permettent de déterminer le taux de carbonates et leur température de solubilité. En fonction des résultats obtenus, un débourbage (opération consistant à enlever les boues par écumage dans les zones plus froides à la surface du bain : en surface) peut être nécessaire.
Un retraitement des sels est possible avec des sociétés spécialisées dans le retraitement des déchets.
VI. Préconisations au démarrage d’une installation :
Le creuset est rempli à l’aide du sel solide (petits lingots si possible) puis fondu. Lors de la fusion le niveau doit être compensé par l’apport de sel frais.
VII. Maintenance du système : action utilisateurs et constructeur
La maintenance est localisée au niveau du bain et du matériel.
a) Au niveau du bain :
Débourbage régulier du bain.
Analyses deux fois par an recommandée et action correctives en fonction des résultats.
Il est conseillé de contrôler :
La teneur en carbonate de sodium
Le taux d’H2O, qui ne doit pas dépasser les 2%
Le point de fusion
La quantité de chlorures, qui peuvent provenir par entrainement d’un autre bain de sel utilisé pour la chauffe.
La courbe de drasticité en laboratoire (essai DIN normalisé avec capteur inconel),
b) Au niveau du matériel :
Inspection annuelle du creuset (acier doux type C15 ou bi matière Inconel / acier doux)
Nettoyage de l’environnement du four
Contrôle de la chaine pyrométrique.
Contrôle de l’agitation