Les deux principaux types d'atmosphères exothermiques sont l'atmosphère riche (ou concentrée) et l'atmosphère pauvre (ou légère). Elles se différencient par leurs rapports de mélange air/gaz, qui dictent leur composition chimique et leur potentiel "réducteur". Les atmosphères riches contiennent des niveaux plus élevés d'hydrogène et de monoxyde de carbone pour prévenir l'oxydation, tandis que les atmosphères pauvres contiennent moins d'agents réducteurs et sont utilisées lorsque la protection de surface est moins critique ou que l'oxydation est requise.
Le choix entre les atmosphères riches et pauvres est fondamentalement un compromis entre protection et coût. Les atmosphères riches offrent un environnement "réducteur" pour protéger les surfaces de l'acier, tandis que les atmosphères pauvres sont des solutions économiques pour les métaux non ferreux comme le cuivre ou les procédés où l'oxydation est intentionnelle.
1. Atmosphères exothermiques riches
Cette atmosphère est souvent appelée "concentrée" car elle est produite en utilisant un rapport de mélange air/gaz plus faible. Elle conserve une concentration plus élevée de gaz réducteurs, ce qui la rend chimiquement active pour prévenir les dommages de surface.
Composition chimique
Une atmosphère riche se compose typiquement de 71,5 % d'azote (N2), 12,5 % d'hydrogène (H2), 10,5 % de monoxyde de carbone (CO), 5 % de dioxyde de carbone (CO2) et environ 0,5 % de méthane (CH4).
La fonction "réductrice"
La présence significative d'hydrogène et de monoxyde de carbone (totalisant environ 23 %) crée un environnement réducteur. Cela signifie que l'atmosphère élimine activement l'oxygène, l'empêchant de réagir avec le métal traité.
Applications principales
En raison de ses qualités protectrices, le gaz exothermique riche est la norme pour le traitement thermique des métaux ferreux.
- Trempe et recuit de l'acier : Il est essentiel pour le traitement des aciers à faible teneur en carbone afin d'éviter la décarburation (la perte de carbone de la surface de l'acier).
- Brasage : Il est largement utilisé pour le brasage du cuivre et de l'argent.
- Frittage : C'est l'atmosphère préférée pour les applications de frittage de poudres métalliques.
2. Atmosphères exothermiques pauvres
Également connues sous le nom d'atmosphères exothermiques "légères", elles sont produites avec un rapport air/gaz plus élevé. Cela entraîne une combustion presque complète, ne laissant que très peu de composants combustibles ou réducteurs dans le gaz.
Composition chimique
Une atmosphère pauvre est principalement composée d'azote (86,8 %) et de dioxyde de carbone (10,5 %). Elle contient de très faibles niveaux de gaz réducteurs, avec seulement environ 1,5 % de monoxyde de carbone et 1,2 % d'hydrogène.
La fonction "oxydante"
En raison de la faible teneur en hydrogène et de la teneur élevée en dioxyde de carbone, cette atmosphère ne convient pas au traitement thermique brillant des aciers. Dans le contexte de l'acier, la teneur élevée en CO2 agit comme un agent oxydant, qui formerait de la calamine ou ternirait la surface du métal.
Applications principales
Les atmosphères pauvres sont utilisées pour les procédés où un environnement réducteur n'est pas nécessaire ou lorsque l'oxydation de surface délibérée est requise.
- Recuit du cuivre : Bien qu'oxydante pour l'acier, cette atmosphère convient au recuit du cuivre.
- Oxydation contrôlée : Elle est spécifiquement choisie pour les procédés nécessitant une réaction chimique avec la surface plutôt qu'une protection contre celle-ci.
Comprendre les compromis
Lors de la sélection d'une atmosphère, vous devez équilibrer l'activité chimique avec la sensibilité du matériau.
Le risque de décarburation
Si vous utilisez une atmosphère pauvre sur de l'acier, la teneur élevée en CO2 réagira avec le carbone à la surface de l'acier. Cela provoque la décarburation, résultant en une couche de surface douce et faible. Des atmosphères riches sont nécessaires pour maintenir les niveaux de carbone dans les aciers à faible teneur en carbone.
Sécurité et inflammabilité
Les atmosphères riches contiennent plus de 20 % de gaz combustibles (H2 et CO), ce qui les rend inflammables ; elles nécessitent une manipulation et des protocoles de sécurité soigneux. Les atmosphères pauvres, avec moins de 4 % de gaz combustibles, sont généralement ininflammables et plus faciles à manipuler, mais manquent de pouvoir protecteur pour les métaux ferreux.
Faire le bon choix pour votre objectif
La décision dépend entièrement du métal que vous traitez et de la finition de surface que vous exigez.
- Si votre objectif principal est la protection de l'acier à faible teneur en carbone : Utilisez une atmosphère exothermique riche pour éviter la décarburation et assurer une surface propre pendant le recuit ou le frittage.
- Si votre objectif principal est le recuit du cuivre : Utilisez une atmosphère exothermique pauvre, car elle fournit un environnement de procédé suffisant sans le coût ou l'inflammabilité des mélanges à haute teneur en hydrogène.
En fin de compte, utilisez des atmosphères riches pour prévenir l'oxydation sur l'acier, et des atmosphères pauvres pour induire l'oxydation ou traiter les métaux non ferreux.
Tableau récapitulatif :
| Caractéristique | Atmosphère exothermique riche | Atmosphère exothermique pauvre |
|---|---|---|
| Composition principale | ~12,5 % H2, 10,5 % CO, 71,5 % N2 | ~1,2 % H2, 1,5 % CO, 86,8 % N2 |
| Nature chimique | Fortement réductrice | Légèrement oxydante |
| Inflammabilité | Inflammable (>20 % de combustibles) | Ininflammable (<4 % de combustibles) |
| Applications clés | Recuit de l'acier, frittage, brasage | Recuit du cuivre, oxydation contrôlée |
| Avantage principal | Prévient la décarburation et l'oxydation | Rentable ; manipulation plus sûre |
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