Étude de la réactivité des mélanges gazeux NH₃-N₂-H₂ lors de la nitruration d'un acier dans le réacteur de thermobalance

par Touria Chaer

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Michel Gantois.

Soutenue en 1995

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , en partenariat avec Laboratoire de science et génie des surfaces (Nancy) (laboratoire) .

Les rapporteurs étaient Dominique Hertz.

mots clés

• Nitruration
• Traitement thermochimique
• Ammoniac
• Dissociation chimique
• Mélange gaz
• Débit
• Acier
• Croissance
• Couche nitrurée
• Nitriding
• Thermochemical treatment
• Ammonia
• Chemical dissociation
• Gas mixture
• Flow rate
• Steel
• Growth
• Nitrided layer
• Nitruration
• Métaux -- Traitement thermochimique
• Dissociation (chimie)
• Réactivité (chimie)

Résumé

Lors du traitement de nitruration en phase gazeuse par NH₃-N₂-H₂, à 570°C et à la pression atmosphérique, deux réactions hétérogènes gaz-solide et gaz-parois du four, sont mises en jeu. La décomposition de NH₃ sur les parois en alumine du réacteur de la thermobalance, dont le comportement est du type piston, montre que la réaction est hors d'équilibre à 570°C. L’influence catalytique des parois est faible, néanmoins le taux de dissociation est fonction du débit total et de la composition du mélange. Les résultats de la modélisation du réacteur montrent l'homogénéité du mélange gazeux dans la zone du traitement. Pour caractériser la réaction gaz-solide, nous étudions les lois qui régissent la phase gazeuse pendant le contrôle de la croissance des couches de nitrures de fer [alpha], [gamma] et [epsilon], à partir d'une régulation dynamique des débits du gaz à l'entrée du réacteur. À débit total constant, pour superposer la prise de masse expérimentale à celle prévue par le modèle théorique de croissance des couches ([epsilon]/ [gamma]/ [alpha], [gamma]/[alpha] ou [alpha]), il faut débuter les traitements par une pression partielle en NH₃ très élevée par rapport à celle de l'équilibre d'une part, et d'autre part, il est indispensable de diminuer cette pression dans le mélange au cours du traitement. Toutefois, il est possible d'obtenir pour le même flux d'azote transféré à la surface, différents couples de paramètres (débit total et pression partielle en NH₃). Un débit total élevé nécessite une plus faible pression partielle en NH₃, néanmoins le débit d'ammoniac est important. Un modèle basé sur le bilan en NH₃ à la surface de solide, établit la relation de proportionnalité entre le flux d'azote transféré à la surface et la pression en NH₃ à l'entrée du four. Ainsi, nous montrons que plus le mélange est riche en NH₃, plus le transfert d'azote est important. Cependant, le flux d'azote consommé par l'échantillon est faible par rapport au débit de NH₃ à l'entrée

Titre traduit

Study of the NH₃-N₂-H₂ gas mixture reactivite during the steel nitriding in the thermobalance reactor

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