Mécanismes de frittage d'agglomérés Fe + C traités sous atmosphère H₂ + CH₄ : modélisation des processus de carburation et confrontation avec les résultats expérimentaux

par Juliette Skiredj

Thèse de doctorat en cSciences appliquées. Métallurgie

Sous la direction de Georges Cizeron.

Soutenue en 1987

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

Le président du jury était Georges Cizeron.

Le jury était composé de Georges Cizeron, Olga Jacura, Bernard Dubois, André Rist.

mots clés

• Frittage d'agglomérés
• Carburation
• Décarburation
• Frittage (métallurgie)
• Fer
• Carbone
• Métallurgie

Résumé

Ce travail a eu pour but d'analyser les phénomènes de carburation et/ou de décarburation susceptibles d'intervenir lors de l’élaboration d'aciers, frittés en particulier sous hydrogène additionné de méthane. Le comportement au chauffage des agglomérés (Fe + C) a d’abord été étudié par dilatométrie ; parallèlement, l'analyse des dégagements gazeux (par spectrométrie infra-rouge) a permis de contrôler les processus de carburation-décarburation. Nous avons fait une approche thermodynamique du système (Fe+C) en atmosphère ( H₂ + CH₄). Des diagrammes reliant le potentiel carbone à la température et à la composition de l'atmosphère de traitement ont été établis. Enfin, nous avons montré que le phénomène global de carburation résulte de la conjugaison de deux processus importants un processus de transfert de carbone s'effectuant par voie gazeuse depuis l'atmosphère vers la surface de l'échantillon ; ce processus est caractérisé par un coefficient de transfert h. -un processus de diffusion du carbone vers l'intérieur de la pièce, caractérisé par un coefficient de diffusion D. Nous avons proposé une modélisation mathématique de la cinétique de carburation à partir de la résolution de l'équation de FICK. A partir de ce formalisme nous avons pu estimer les valeurs respectives du coefficient de diffusion D et du coefficient de transfert h dans le cas des aciers frittés et les comparer à celles concernant des échantillons massifs, obtenues par d'autres auteurs.

Titre traduit

Sintering mechanisms of Fe + C powder mixtures treated under H₂ + CH₄ : theoritical model on the carburization process and comparison with experimental results

Résumé

The purpose of this study was to analyze the processes occuring during carburization and/or decarburization when sintered steels are manufactured under hydrogen with an addition of methane. The behavior on heating the (Fe + C) mixtures was first studied by dilatometry; at the same time, the analysis by infrared spectrometry was done in order to follow the process of carburization­ decarburization. We explicited the concept of carbon potential from the carbon transfer to the surface of the samples. Besides, diagrams giving the carbon potential versus the temperature and composition of the atmosphere were infered from thermodynamic data relative to the (Fe + C) system in contact with an ( H₂ + CH₄ ) atmosphere. Hence, the comprehension and calculation of carbon potential was clarified. Finally, the complex phenomena, occuring during sintering under a carburizing atmosphere, were investigated in detail. We showed that the whole carburization process resulted from two related processes : - a carbon transfer through the gaseous :phase towards the surface of the sample ; this process may be characterized by a coefficient h, - the diffusion of carbon towards the core of the probe, which is characterized by a diffusion coefficient D. A mathematical model of the carburization kinetics was derived from the resolution of the FICK's equation. From this formalism, the values of the diffusion coefficient D and the transfer coefficient h were evaluated in the case of sintered steels and then were compared to those found for classical steels by other authors.