Traitements thermiques sous vide
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.
Principe :
Le vide absolu n’existe pas, on s’en rapproche dans l’espace interstellaire. Notre milieu de vie est un milieu gazeux qui s’établit sous une certaine pression (1000 mbar pour la pression atmosphérique). Le chauffage des métaux en contact avec l’air produit une oxydation liée à la présence d’oxygène.
Pour éviter cette oxydation il faut, soit chauffer sous atmosphère neutre exempte d’air (azote, argon ou hydrogène par exemple), soit éliminer l’oxygène par pompage de l’air contenu dans un four construit pour être étanche aux introductions d’air extérieur.
Pour éviter totalement l’oxydation, la pression doit être réduite à 0,1 mbar ; cela s’obtient par pompage à l’aide de pompes à vide.
Les traitements sous vide s’effectuent donc dans des fours spéciaux étanches et dotés de systèmes de pompage pour y faire régner un vide relatif 10-2 à 10-5 mbar.
Toutefois, le vide présente l’inconvénient de l’absence de convection et le chauffage s’effectue uniquement par rayonnement beaucoup plus lentement que sous atmosphère, surtout aux plus basses températures.
Pour cette raison, les traitements à basse température (revenus) et les montées en température peuvent s’effectuer dans des fours à purge sous vide dans lesquels on fait un vide préalable et où l’on introduit du gaz neutre pour obtenir une part de chauffage par convection.
La qualité reconnue aux traitements sous vide est l’absence d’altération des surfaces. La capacité à réduire les déformations n’est lié qu’aux conditions de refroidissement moins sévères pouvant être mise en œuvre, donc applicables aux nuances à bonne trempabilité.
Unités de pression :
Pascal (Pa) = N (newton) /m2
1 bar = 105 Pa
1 mbar = 102 Pa = 1 hPa
1 mbar = 0,75 Torr ( 1 Torr = 1,333 mbar = 133,33 Pa)
1 mbar = 0,75 mm Hg
Notons qu’à la pression atmosphérique soit 1013 mbar : 27 milliards de milliards de molécules/cm3 sont présentes, à 10-9 mbar : le nombre est réduit à 27 millions de molécules/cm3
Le vide absolu : 0 molécule est impossible à atteindre.
Le vide s’obtient par pompage, on distingue :
Les pompes primaires ou pompes mécaniques (à pistons, à palettes à vis), capables d’atteindre 10-1 mbar. Elles peuvent être lubrifiée à l’huile ou sèches
Les pompes roots qui permettent d’atteindre 10-2 mbar avec une vitesse de pompage améliorée à partir de 10 mbar.
Les pompes secondaires ( à diffusion) qui permettent d’atteindre 10-5 mbar
Les fours sont réglés pour obtenir un déclenchement des différents types de pompes selon la pression obtenue.
Différentes conceptions de fours :
Fours à charge horizontale
Fours à charge verticale (puits ou à élévateur)
La chambre de chauffe : moufle ou casing est à l’intérieur d’une carcasse en acier à double parois refroidie par eau pour éviter les fuites par les dilatations. Ce moufle est pour les fours haute température (mise en solution) soit en graphite soit en paroi métalliques constituées de feuilles de molybdène derrière lesquelles se trouve un isolant minéral. Les moufles des fours basse température (revenu) sont en acier inoxydable avec isolation. Les résistances chauffantes en graphite, ou métal (molybdène, tantale) sont judicieusement placées pour obtenir sur les fours haute température un rayonnement homogène.
Des exemples de fours sous vide sont visibles sur les sites des fabricants répertoriés sur l’onglet mise en œuvre.
Ces fours sont dotés d’un équipement de refroidissement soit dans la chambre de chauffe soit dans une chambre séparée après transfert de la charge dans celle-ci, par injection d’un gaz froid : azote, azote + hydrogène (5%maxi), argon, hélium et mélanges gazeux à des pressions allant de la pression atmosphérique jusqu’à 10 bar (des pressions de 20 et 40 bar peuvent être proposées). Le gaz est turbiné efficacement et maintenu froid par passage sur un échangeur interne ou externe au four.
Le refroidissement par trempe à l’huile est également pratiqué dans une chambre séparée attenante au four.
L’efficacité du refroidissement au gaz est la résultante du pouvoir d’extraction calorifique qui dépend du type de gaz utilisé (les gaz légers sont a priori plus favorables, mais les mélanges entre un gaz léger et lourd est également efficace), de la pression et de la conception même du four et de son système d’échange thermique. Les trempes au gaz sont souvent préférées à la trempe huile car elles économisent le lavage après traitement. L’argument de moindre déformation est usurpé et n’est du qu’à une trempe moins efficace
Mise en solution des aciers, alliages base nickel et superalliages (trempe, recuits, hypertrempes…) : température et niveaux de vide selon les alliages. On trouve de façon courante :
L’austénisation avant trempe des aciers à outils (aciers fortement alliés), avant trempe des nuances d’acier de construction à trempabilité élevée
La mise en solution des superalliages
La mise en solution des aciers inoxydables austénitiques suivie d’un refroidissement relativement rapide (connue sous le nom d’hypertrempe)
Les recuits des alliages de titane
Recuits magnétiques des alliages pour application magnétique
Revenu des alliages métalliques en four à purge sous vide : aciers et alliages base nickel, durcissement des revêtements de nickel chimique, revenu de durcissement des alliages cuivreux type UBe2
Recuit des alliages cuivreux (laitons)
Brasage des alliages métalliques : brasage haute température de différents alliages métalliques base fer ou base nickel, brasage hétérogène (céramique-métal, graphite-métal), brasage des alliages d’aluminium.
Cémentation, carbonitruration des aciers dans des fours spéciaux dédiés à cette application avec injection de gaz carburant et nitrurant éventuel, par séquences alternées avec des séquences de diffusion sous vide. Le terme utilisé est cémentation basse pression.
Nitruration gazeuse après purge sous vide ou sous pression partielle d’ammoniac craqué : après purge sous vide une atmosphère d’ammoniac et azote par exemple est établie, dans le cas de la nitruration dite à basse pression l’atmosphère est maintenue à une pression de l’ordre de 200 mbar.
Dégazage et décontamination d’alliages métalliques : pour cette application les plus basses pressions sont recherchées.
Mise en œuvre
Equipement principal (four, réacteur, ligne, machine…)
Energie et fluides ( gaz, produits chimiques, liquides de trempe, sels…)
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