Revue de métallurgie^ février

horizontaux [fi.g. 26). Le prisme à réflexion totale repose sur les aimants et au milieu ; sa position est réglée une fois pour toutes. Chaque galvanomètre porte un miroir de gran-

Fio. 26. — Galvanomètre double Le Chatelier.

deur telle que le rayon lumineux ne sorte pas hors des miroirs. Le tout est placé dans une boite métallique possédant trois vis calantes et fermée par une glace à l'avant. Enfin la glace porte une ouverture devant chaque miroir; dans chacune d'elles est fixée une lentille achromatique de dislance focale

principale de 1 mètre ; de ce fait, un point lumineux situé à 1 mètre en avant de la première lentille donne une image à 1 mètre de la seconde.

Dans les premiers modèles, l'appareil ne portait que trois bornes pour amener les courants aux galvanomètres.

La borne centrale était fixée direclement sur la boîte métallique de l'appareil qui se trouve reliée directement aux fils de ♦suspension supérieurs des deux cadres.

Les deux autres bornes sont isolées de la boîte métallique.

Dans les appareils construits actuellement, on place quatre bornes. On n'est plus alors obligé, comme on Tétait avec le

FiG. 27.

premier modèle, d'éviter tout contact dans la région chauffée entre le couple et les fils qui vont au deuxième galvanomètre et d'isoler, par là môme, le couple des échantillons à étudier.

Dans son mémoire descriptif, M. Le Chatelier donne des indications sur la source lumineuse à utiliser, la graduation, ainsi qu'un dispositif extrêmement simple pour connaître la vitesse d'échauffement qui a souvent une très grande influence sur la position des points critiques.

Nous donnons ici à titre d'exemples quelques courbes déterminées par M. H. Le Chatelier au moyen de son galvanomètre double.

Les deux dernières [fig, 28 et 29) ont trait à un acier à outil dit à coupe rapide.

Dans la première de ces deux courbes (^(7. 28), on a chauffé à une température très peu supérieure à celle du point de

COURBES DE REFROIDISSEMEIST 45

transformation ; on observe alors cette même transformation au refroidissement, mais elle a lieu à une température bien inférieure à celle de réchauffement. Le même acier a été chauffé à HOO degrés environ et il a donné la dernière courbe {fig, 29). On voit qu'au refroidissement il n'y a plus de point de

Fio. 28.

transformation. Ce fait, signalé pour la première fois par M. Osmond, est le principe même du traitement de ces nouveaux aciers à coupe rapide.

Appareils de chauffage. Fours à chauffage électrique. — Le

Fig. 29.

moyen de chauffage le plus simple et le plus pratique pour étudier les courbes de refroidissement réside dans l'emploi des fours à chauffage électrique. Nous en donnerons la description; car ils doivent être spécialement utilisées pour la détermination des courbes d'échauffement et de refroidissement des aciers.

Le modèle de four ordinaire à chauffage électrique comprend un tube en terre réfractaire, autour duquel se trouvent enroulés des fils de platine, dans lesquels on peut faire passer un courant électrique ; les dimensions de ces fils sont déterminées d'après la source d'électricité dont on dispose, les températures et les vitesses de chauffe que Ton veut obtenir. On enroule généralement ces fils autour du tube en terre réfractaire, puis on recouvre le tout de plusieurs couches de cordon d'amiante et on fait une enveloppe très épaisse en cette matière, enfin le tout est garni soit de métal, soit, de terre réfractaire.

L'avantage d'un tel four est que l'on peut, très aisément, régler la température, et surtout la maintenir constante, ce qui est assez délicat avec le gaz ; enfin le coût du chauffage électrique, dans ces conditions, n'est pas beaucoup plus élevé que celui du gaz.

Malheureusement le platine porté à température élevée se volatilise, et surtout s'altère très rapidement, lorsqu'il se trouve en contact avec les produits contenant de la silice.

M. Guntz, d'après les expériences qu'il a publiées dans le Bulletin de la Société chimique de Paris (t. XX Vil, p. i53, 1902), a reconnu qu'on pouvait sans inconvénient porter le platine à haute température au contact d'aluminate de magnésie ou de chaux. Pour préparer cette brasque, on procède suivant les indications de Henri Sainte-Claire Deville, c'est-à-dire en mélangeant une partie d'alumine fortement calcinée, une partie d'alumine provenant d'une calcination incomplète de l'alun ammoniacal, une partie d'aluminate de chaux obtenu en chauffant à fusion poids égaux d'alumine et de chaux pure que Ton a eu soin de mélanger aussi intimement que possible.

Four de M, Charpy. — C'est avec un four à chauffage électrique que M. Charpy a fait l'étude méthodique de la trempe de l'acier*. Son appareil comprenait un tube déterre réfractaire

1. Bulletin de la Société d" Encouragement pour V Industrie nationale^ 1895.

de 0",600 de longueur et 0",025 de diamètre intérieur, destiné à recevoir les pièces qui doivent subir un traitement calorifique. Autour du tube, on a monté en dérivation quatre fils de platine de 0°",5 de diamètre et 7 mètres de longueur environ, deux fils sont enroulés directement sur le tube de terre et

Fio. 30. — Installation complète d'un four Charpy.

sont recouverts d'une feuille d'amiante, sur laquelle sont enroulés les deux autres fils.

Autour de cet ensemble, on a enroulé plusieurs couches de cordon d'amiante, et finalement on a placé le tube au centre d'un cylindre de laiton que l'on a rempli d'amiante dans l'espace qui est resté vide.

M. Charpy, désirant obtenir la trempe dans des conditions parfaitement définies, donna à son four une disposition telle que, d'une part, il pouvait tourner autour de son axe et que, d'autre part, il pouvait prendre des positions inclinées variant

entre et 90**, afin de faire tomber le métal, chauffé à une température très bien déterminée dans un bain de trempe sans qu'il y ait de perte de chaleur appréciable.

A cet effet, le cylindre en laiton qui entoure le tube est fermé par deux plaques en m6me métal, et Ton y visse deux tubes en bronze qui forment le prolongement du tube en terre. Ces tubes, qui forment tourillon, tournent dans des colliers en acier.

Le courant arrive au fil de platine par deux disques métalliques, qui sont en contact avec des ressorts, lesquels sont reliés à la source d'électricité.

Une circulation d'eau a lieu au moyen d'un conduit enroulé en spirale autour des tubes en bronze et, notamment, près des collecteurs.

Le mouvement de rotation du tube autour de son axe est donné par l'intermédiaire d'une poulie montée sur une vis qui vient en prise avec un engrenage monté sur l'un des tubes. La poulie est réunie par une courroie à un petit moteur électrique.

D'autre part, le cadre métallique quisupporte le four possède deux tourillons, lesquels viennent se placer dans deux paliers placés à poste fixe sur une table convenablement échancrée ; de cette façon, tout le four peut osciller autour d'un axe horizontal, perpendiculaire à l'axe du tube, et prendre toutes les dispositions entre et 90*. Lorsque le four est placé dans la position horizontale, deux taquets, rejoints par un petit bâti métallique à la table, permettent de maintenir le tout dans une position définie et d'établir d'une façon convenable les contacts. Un tel four est utilisé pour les études précises de trempe, il nous a servi, notamment, à d'importantes expériences sur la trempe des aciers spéciaux au nickel, manganèse, chrome, etc. ^ La photographie que nous reproduisons montre l'installation que nous avons faite au laboratoire des usines de Dion-Bouton. On y remarquera le four lui-même placé sur

1. Les Aciers spéciaux. Aciers au nickel^ manganèse et chrome^ par M. Léon Guillet. V'* Dunod, éditeur.

CODRBES DE REFROIDISSEMENT 49

une table échancrée pour permettre le mouvement d'inclinaison (lu four, le petit moteur électrique qui transmet son mouvement au four lui-même. D'autre part, un interrupteur, placé contre le mur et au-dessus de l'ensemble, permet d'envoyer le courant dans deux lignes distinctes ; la première, qui alimente le moteur, passe par un rhéostat permettant de faire varier la vitesse de rotation ; la seconde arrive à un commutateur, placé sur la table qui est située le plus en avant, et permet d'envoyer le courant dans des résistances qui sont placées audessous de cette table, afin d'avoir le minimum d'encombrement. Un second commutateur, que l'on voit en avant du premier et à l'extrémité droite de celte môme table, permet de faire varier les résistances à travers lesquelles passe le courant et, par conséquent, de faire varier l'intensité de celui-ci. Cette intensité est, d'ailleurs, donnée par un ampèremètre placé sur la table.

D'autre part, on remarquera les fils du couple thermoélectrique qui sortent du four et sont réunis à un galvanomètre Siemens et Halske placé sur l'autre table. On a donc devant soi les deux appareils importants : celui permettant de faire varier l'intensité du courant allant aux fils de platine, c'est-à-dire la température du four, et le galvanomètre qui indique, à chaque instant, cette température.

Inconvénient des fours à chauffage électrique au moyen de fils de platine. — Avec un four tel que celui que nous venons de décrire, il est dangereux de dépasser une température de 1200°; car, les fils de platine, dans ces conditions, se détériorent très rapidement.

Cela provient de trois causes :

1® Le contact de la spirale avec la surface du corps qu'elle doit chauffer est très imparfait, lorsque l'on utilise un fil rond; la transmission de la chaleur se fait d'une façon défectueuse; il faut donc que le fil de platine soit à une température plus élevée que le corps que l'on chauffe. On est, par là même, obligé de porter le fil à une température bien supérieure à celle qu'on veut obtenir dans le four;

2** Si le fil de platine vient à adhérer en certains endroits du tube, la chauffe du four devient irrégulière; il peut même se produire dans le fil des surchauffes locales qui dépassent le point de fusion du platine, le four est complètement détérioré et sa réparation est des plus difficiles, si ce n'est impossible ;

3° Le platine se trouve en contact avec la terre réfractaire, constituant le tube du four; si on dépasse même une température bien inférieure à celle de fusion du platine, il peut y avoir détérioration du four, par suite, notamment, de formation de siliciure fusible.

Perfectionnement apporté par la maison Heraeus, — La maison Heraeus de Hanau-sur-Mein, qui s*est créé un nom dans l'industrie du platine, et qui, notamment, a lancé

les appareils pla- ^ ^"^^ * ^ "v tine-orpourla con-

/ 'N centration de l'acide

f ^^^^^^^^Bl^^ sulfurique , s'est

^'^^ ■^^^^^^^^m; adonnée à la construction des fours à chauffage électrique et vient d'apporter dans leur \S' M % ' %^ construction de très

importants perfec- Pj^j 3^ tionnements.

Au lieu d'utiliser du fil de platine, elle emploie des feuilles de ce môme métaL De nombreuses expériences ont montré qu'une feuille de platine, dont i décimètre carré pèse environ 15 grammes et dont l'épaisseur est de 7/1.000 de millimètre, convient le mieux au but qu'on se propose. Une telle feuille est suffisamment mince pour s'adapter à la surface des corps à chauffer, tout en étant suffisamment résistante pour être enroulée en longues bandes autour des tubes en porcelaine ou terre réfractaire que l'on veut chauffer. Cet enroulement se

fait de telle sorte qu'il n'y a entre les différents tours de la bande de platine qu'un intervalle d'environ 2 à 3 millimètres non recouvert.

Un four construit de cette façon présente les avantages suivants :

V La chaleur développée par le courant électrique dans une spirale de ce genre passe presque totalement et aussitôt dans le tube, par suite de la ferme adhérence et du peu d'épaisseur de la spirale. Par conséquent, ce platine ne se trouve pas porté k une température sensiblement supérieure à celle qu'on veut avoir dans le four;

2'' Le platine employé en feuille pèse envion six fois moins que le fil susceptible de produire un effet analogue;

3° La répartition de la chaleur se fait d'une façon beaucoup plus égale ;

4'' Le réglage du four est bien plus rapide; c'est ainsi qu'avec un four à tube, dont le diamètre est de 25 millimètres, on peut obtenir en cinq minutes 1400^ sans que le tube ait, le moins du monde, à souffrir de cette élévation brusque de température;

5** On peut obtenir, avec un tel four, des températures beaucoup plus élevées qu'avec ceux chauffés par des fils. Cela provient, de ce que l'échange de température est bien meilleur. La maison Heraeus garantit que l'on peut porter ces fours à une température de 1500"* et que l'on peut maintenir cette température aussi longtemps qu'on le désire.

On pourrait même atteindre» dans la chambre de chauffe, la température de 1700*: mais on n'ignore pas qu'aucune matière susceptible de constituer les tubes ne peut résister à une température supérieure à 1500°. La maison Heraeus, dans les renseignements qu'elle a bien voulu nous communiquer sur ces fours, parle bien d'une matière fabriquée par la manufacture royale de porcelaine de Berlin, qui, quoique légèrement éprouvée par des températures supérieures à ibbO"", résiste encore à des températures d'environ 1700°; mais, entre 1500 et 1600°, elle présente ce grave inconvénient que le

tube devient conducteur électrique; dans ces conditions, il se produit des phénomènes d'électrolyse, et la spirale de platine est rapidement détruite, sans doute par absorption de silicium. Les tubes de magnésie fondue se comportent de même.

On peut, toutefois, ajouter que, si on voulait utiliser des fours ainsi construits à des températures de 1700", on pourrait encore le faire pendant quelque temps; les réparations seraient, d'ailleurs, assez aisées et peu coûteuses, après usure de platine.

Les principaux modèles établis par la maison Heraeus sont

des fours dont la chambre de chauffe consiste en un tube de porcelaine placé horizontalement. Les dimensions du tube peuvent varier et Ion peut, de plus, dans un type déterminé, avoir une constance parfaite de chauffe, sur une longueur plus ou moins grande. Le modèle que reproduit la figure 31 est constitué par un tube de 60 centimètres de longueur et de 25 millimètres de diamètre; la spirale de platine est enroulée sur une longueur du tube de 45 centimètres; le poids du platine entrant dans la constitution du four est de 7 grammes. Pour obtenir une température de 1400 à 4500°, le courant développé est de 2000 watts. La différence de température qui existe entre deux points du tube, distants de 25 centimètres, est, au maximum, de 20"* C.

Un autre type de four, basé sur le môme principe, a été construit d'après les données du professeur Holborn, de Tlnstitut Impérial de Physique de Charlottenbourg.

Dans ce four, un tube de porcelaine, de 50 millimètres de diamètre et 110 millimètres de hauteur, est disposé verticale-

Fio. 32.

COURBES DE REFROIDISSEMENT b3

ment et entouré par une spirale de platine; la chambre de chauffe est suffisante pour recevoir les creusets [fig, 32).

D'après les expériences faites, ce four ne pourrait servir que pour des températures approchant 1250°; cela provient de ce que la transmission de la chaleur est essentiellement défavorable.

La figure 32 reproduit une coupe verticale du four qui montre un thermo-couple, monté dans un tube en porcelaine, et pénétrant par le couvercle du four. Cette disposition peut être utilisée tout particulièrement pour des déterminations de points de fusion.

Le poids du platine nécessaire à la construction d'un tel four est de 5 grammes. Pour obtenir une température de 1250° C, il faut dépenser 1500 watts.

Exemples. Fers et Aciers. — L'exemple le plus frappant que Ton peut donner des courbes de refroidissement a trait aux aciers au carbone et aux aciers spéciaux.

Nous ne pouvons sans sortir du cadre que nous nous sommes assigné, étudier cette question en détail ; mais nous devons cependant insister sur quelques résultats d'expériences qui ont la plus haute portée scientifique et industrielle.

Les courbes de refroidissement ont été en effet le point de départ des magnifiques recherches de M. Osmond et constituent les bases les plus solides de la théorie allotropique du fer, laquelle est d'une importance de tout premier ordre pour l'industrie et pour la science.

Ceci nous conduit, il nous semble, à étudier avec quelques détails la théorie admise aujourd'hui sur la constitution des aciers au carbone. Comme nous lavons déjà dit, c'est à ces produits que nous nous adresserons pour avoir les exemples les plus nets concernant les différentes méthodes permettant d'étudier la constitution des alliages.

C'est à Tschernoff que nous sommes redevables du premier essai de théorie émis sur ce point. Rappelons que cet ingénieur regardait l'acier liquide comme une solution saturée de sels

cristallisables et conduisait à considérer quatre températures intéressantes : le point de fusion; une seconde température qui en est assez voisine et au-dessus de laquelle Tacier est brûlé; un troisième point important qui est celui auquel l'acier passe de Tétat cristallin à Télat amorphe et qui correspond au rouge vif; enfin, le quatrième point, lequel se trouve au rouge sombre, est latempérature minimum à laquelle licier doit être porté pour prendre la trempe par un refroidissement brusque.

Telle est, très brièvement résumée, la théorie de Tschernoff émise en 1868 et publiée en 1876.

En 1885, parut l'important mémoire de MM. Osmond et Werth sur la théorie cellulaire des aciers qui apportait beaucoup plus de netteté dans cette question si importante de la constitution de ces produits. MM. Osmond et Werth donnent d'abord la notion de la cellule, constituée par un noyau de fer doux enveloppé d'un ciment qui est une combinaison de carbone et de fer, ayant pour formule Fe^C.

Ce sont ces cellules, dites simples, dont la juxtaposition va former les cellules dites composées, qui auront en quelque sorte pour caractéristiques, de n'être enveloppées que de quantités fort minimes de ciment, et ce sont ces dernières qui, ne possédant pas ou peu de ciment, vont déterminer les points de faible résistance dans le métal brut de coulée.

Mais on pourra faire disparaître la plus grande partie de ces cellules en travaillant l'acier par forgeage, laminage, tréfilage, etc., à une température convenable, température à laquelle le ciment sera devenu pâteux.

Là n'est pas le seul fait intéressant de la théorie cellulaire; il en est deux autres d'une importance beaucoup plus grande.

Le premier réside dans la dissociation ou dissolution dans le fer du ciment, c'est-à-dire du carbure de fer, à une certaine température. Au-dessus de cette température, le carbone sera dissous dans le fer.

De ce fait, on peut conclure qu'à cette température le métal sera beaucoup plus homogène, et si l'on veut bien se

rappeler que l'effet de la trempe * est de maintenir tout au moins une partie de Tacier à Tétat sous lequel il se trouvait au moment où il a été brusquement refroidi, on coiùprendra que la trempe rende le métal très homogène.

Mais il y a plus : si Ton considère un acier refroidi lente-^ ment, on peut en isoler, par des réactifs appropriés, des lamelles noirâtres qui correspondent à la formule Fe^C, et on pourra voir que, dans un tel acier, la plus grande partie du carbone, si ce n'est la totalité, est sous cet état dit carbone combiné.

Si Ton trempe un acier chauffé au rouge cerise dans de Teau à environ -f- 15**, on s'aperçoit que l'on ne peut plus déceler le carbure de fer ; tout le carbone est à un état spécial uniformément réparti dans la masse : nous sommes en présence du carbone de trempe.

Faraday fut le premier à constater cet état spécial du carbone dans les aciers trempés. Caron le précisa en montrant que l'acier trempé se dissout entièrement dans l'acide chlorhydrique concentré et chaud, tandis que, dans les mêmes conditions, l'acier recuit abandonne un résidu noirâtre que l'on a ultérieurement reconnu pour être le carbure de fer, Fe^C.

De plus MM. Osmond et Werth, d'une part, M. Carnot, d'autre part, montrèrent qu'en attaquant, par l'acide azotique de concentration moyenne, suivant la méthode indiquée par Eggertz pour le dosage du carbone dans les produits sidérurgiques, un acier trempé et un acier recuit, on obtenait des colorations d'une intensité très différente, celle-ci étant singulièrement faible dans le cas d'un acier trempé'^.

Ce fait a été signalé pour la première fois par Hogg.

D'autres chimistes, notamment Abel et Muller, montrèrent

1. Il faut entendre par trempe d'un métal le traitement qui consiste à porter le métal à une température assez élevée {150" à 800* pour les aciers) et à le refroidir brusquement en plongeant dans un bain (eau, huiles, acide suITurique, eau phéniquée, mercure, plomb fondu, etc., etc.) à température relativement basse.