Les mécanismes des traitements thermochimiques de surface par réaction gaz-solide ont fait l'objet au cours de ces vingt dernières années d'études approfondies. La compréhension de ces mécanismes a permis d'accroître les vitesses de transfert de matière et donc de réduire la durée des traitements grâce à des procédés dont les conditions de fonctionnement optimisées à chaque instant garantissent, outre la productivité, un très haut niveau de qualité métallurgique reproductible à chaque traitement.
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Jacky DULCY
: Ingénieur de recherche CNRS, ingénieur civil des Mines
Michel GANTOIS
: Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines et à l'École Européenne d'Ingénieurs en Génie des Matériaux, Nancy
INTRODUCTION
Les mécanismes des traitements thermochimiques de surface par réaction gaz-solide (cémentation, carbonitruration etc.) ont fait l'objet au cours de ces vingt dernières années d'études approfondies rendues possibles par les progrès des techniques d'analyse et d'observation des microstructures, par le développement des connaissances thermodynamiques et des phénomènes de transfert de matière et par la mise en œuvre d'outils de simulation. La compréhension de ces mécanismes a permis d'accroître de façon spectaculaire les vitesses de transfert de matière et donc de réduire la durée des traitements grâce à des procédés dont les conditions de fonctionnement optimisées à chaque instant garantissent, outre la productivité, un très haut niveau de qualité métallurgique reproductible à chaque traitement.
Ce dossier est une présentation accessible aux ingénieurs, techniciens et étudiants des concepts mis en œuvre et des applications qui en découlent dans le domaine de la cémentation, de la carbonitruration des aciers de construction mécanique et dans le domaine de la carburation des aciers alliés. Il a pour objet de permettre en particulier aux ingénieurs et aux techniciens de mieux comprendre et donc de mieux maîtriser les moyens modernes de production mis à leur disposition.
Le lecteur se reportera utilement dans ce traité au dossier [M 1 226] « Cémentation. Carbonitruration ».
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2. Atmosphères à base de monoxyde de carbone et à base d'hydrocarbure
2.1 Génération des atmosphères
Dans le cas de la cémentation par la molécule de CO dans un mélange CO – H2, l'atmosphère est généralement produite de deux façons soit à l'extérieur du four à partir de la technique du générateur endothermique, soit directement à l'intérieur du four à partir de l'instillation de liquide organique.
Les générateurs endothermiques sont des réacteurs chimiques chauffés vers 1 050 oC dans lequel une oxydation de gaz naturel en défaut d'air, permet l'obtention d'une atmosphère essentiellement composée de monoxyde de carbone, de dihydrogène et de diazote inerte chimiquement. La figure 2 et la figure 3 présentent le résultat du calcul (à l'équilibre thermodynamique) de la composition de la phase gazeuse résultant de l'oxydation du méthane en fonction du facteur d'air na à 1 050 oC. C'est pour un facteur d'air proche de 0,25 que la fraction molaire en CO est maximale, ce qui correspond au cas d'un mélange air – méthane dont le rapport volumique R est de 2,5, soit la réaction chimique suivante :
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avec
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(1) -
DULCY (J.), GANTOIS (M.) -
Principe de la cémentation et de la carbonitruration.
-
Traitement thermique, no 289, p. 46-54 (1996).
(2) -
YAHIA (M.) -
Contribution à l'étude de l'influence de l'azote dans les traitements thermochimiques de la surface des aciers en phase austénitique.
-
Doctorat INPL Nancy (1995).
(3) -
BOURDIL (C.) -
Les atmosphères de traitement thermique.
-
Collection des techniques gazières (1981).
(4) -
CHIPMAN (J.) -
Thermodynamics and Phase Diagram of the Fe-C system.
-
Metallurgical transactions, vol. 3, p. 55-64, janv. 1972.
(5) -
ELLIS (T.) -
Some Thermodynamic properties of carbon in Austenite.
-
Journal of the Iron Steel Institut, no 201, p. 582-587 (1963).
(6) -
WYSS (U.) -
Grundlagen des Einsatzhärtens.
-
Häterei-Technische...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Pratique des traitements thermochimiques. Aspects théoriques. Classification.
Diagrammes d'équilibre. Alliages binaires.
Diagrammes d'équilibre. Alliage ternaires et multiconstitués.
Bibliographie & annexes
English
Transfert du carbone dans l'état solide
