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RÉSUMÉ
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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The mechanisms of surface thermochemical treatments via gas-solid reaction have been intensively studied over the last twenty years. The understanding of these mechanisms has allowed for increasing the velocity of matter transfer and thus for reducing the duration of treatments via processes whose constantly optimized operation conditions guarantee productivity and also an extremely high level of metallurgical quality reproducible for each treatment.
Auteur(s)
-
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.
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Atmosphères à base de monoxyde de carbone et à base d'hydrocarbure1. Principe de base d'une réaction hétérogène gaz-solide
1.1 Mécanismes physico-chimiques du transfert du carbone par une réaction hétérogène gaz-solide
Un réaction hétérogène gaz-solide est une réaction qui met en jeu un transfert de matière entre ces deux phases. D'une manière générale, le mécanisme global se décompose toujours en trois étapes principales :
-
le transport des espèces réactives en phase gazeuse vers la surface de l'acier ;
-
la réaction physico-chimique à la surface de l'acier ;
-
le transport dans l'état solide par diffusion des atomes produits par la réaction chimique.
Pour illustrer notre propos, l'espèce réactive sera une molécule gazeuse contenant des atomes de carbone, véhiculée dans un mélange gazeux, soit une molécule du type CxAy, A pouvant être de l'oxygène ou bien de l'hydrogène.
La figure 1 schématise les trois principales étapes élémentaires intervenant lors du transfert de carbone à l'interface gaz-solide : transport de la molécule active vers la surface de l'acier, réaction physico-chimique à la surface de l'acier, diffusion du carbone en phase austénitique. Chaque étape est caractérisée par sa propre cinétique. L'expression simple, sous forme analytique, des vitesses de chaque processus partiel, peut être obtenue en considérant que le transfert de matière a lieu par une succession d'états quasi stationnaires. Avec ce formalisme, chaque processus partiel peut être caractérisé par une résistance de transfert et une force motrice. La force motrice représente une différence d'activité ou une différence de fraction massique et la résistance de transfert R caractérise l'intensité avec laquelle le transfert peut se réaliser.
Si f1, f2, f3 désignent respectivement :
-
le flux de carbone transféré dans la phase gazeuse sous forme de CxAy ;
-
le flux de carbone transféré par la réaction chimique à la surface du matériau ;
-
le flux de carbone transféré par diffusion dans l'état solide ;
nous pouvons écrire les relations suivantes :
...
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Principe de base d'une réaction hétérogène gaz-solide
BIBLIOGRAPHIE
-
(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...
ANNEXES
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