Four de nitruration

La nitruration de la poudre a lieu au cours d’un traitement thermique à haute température sous flux d’azote, à pression atmosphérique. Pour procéder à ce traitement thermique, l’échantillon est placé au sein d’un four tubulaire capable de monter à la température requise, ici jusqu’à 1100°C, et disposant d’une entrée de gaz, en l’occurrence du diazote. Les premiers essais ont ainsi été faits dans des fours tubulaires classiques, avec des tubes en quartz, programmés pour suivre le cycle voulu à l’aide d’un régulateur de température Eurotherm. Il s’est cependant rapidement avéré que ces fours possédaient une zone chaude dans laquelle la température excédait largement la température de consigne, et ne disposant pas d’un système de mesure à l’intérieur du four, il était impossible de connaitre les fluctuations de température, ni même de situer la zone chaude dans celui-ci. Or, la cinétique de la nitruration est particulièrement sensible à la température du traitement, et il est important de pouvoir la vérifier à chaque instant au cours de l’essai. De ce fait, un four a été spécifiquement mis en place, afin de répondre à cette problématique.

Les caractéristiques de ce moyen d’élaboration sont les suivantes : o Ligne de gaz disponible : N2

o Température maximale : 1100°C o Chauffage résistif

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Figure 22: Photo du four utilisé

Par ailleurs, ce four dispose d’un passage étanche dans le flasque situé en amont du four, au niveau de l’entrée du gaz. Ce passage étanche permet le passage d’un thermocouple, mesurant ainsi la température à l’intérieur du tube. Compte tenu des températures d’utilisation du four, le thermocouple choisi est un thermocouple de type K. Afin d’utiliser au mieux le four, un profil thermique a été réalisé dans un premier temps. Pour cela, le thermocouple a été placé dans le four depuis l’entrée de celui, et déplacé jusqu’à l’autre extrémité. La température a été relevée tous les centimètres afin d’établir le profil thermique. La température de consigne imposée lors des mesures est de 1080°C. Cette opération a été réalisée à cinq reprises. Le profil thermique du four déterminé est le suivant (Figure 23) :

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Figure 23: Profil thermique du four tubulaire utilisé

Ce profil est utile pour déterminer la taille de la zone chaude du four, et sa position. Pour ce four, la zone chaude se situe ainsi entre 30 et 40 cm à partir de l’entrée du four. La température dans cette zone est stable et homogène. Il faut cependant remarquer que la température dans cette zone n’est pas la température demandée en consigne. Selon le thermocouple, la température de la zone chaude pour une consigne de 1080°C s’élève en réalité à environ 1090°C.

Dans un second temps, connaissant dorénavant la position de la zone chaude dans le four, la stabilité de la température dans cette zone a été testée. Le thermocouple a été placé à 35 cm de l’entrée, soit au milieu de la zone chaude, et la température a été mesurée tout au long d’un cycle thermique. L’enregistrement est le suivant (Figure 24).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Te m p érature m esurée (° C) x(cm)

Profil thermique du four tubulaire

Mesure 1 Mesure 2 Mesure 3 Mesure 4 Mesure 5 T consigne

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Figure 24: Profil thermique de la zone chaude au cours du traitement thermique

Le programme comprend toujours un palier de 4 h à 1080°C. Lorsque le four atteint sa température maximale correspondant à ce palier, la température réelle dans le four est stable, bien que toujours supérieure à la température de consigne. Pour une température de consigne de 1080°C, la température réelle dans la zone chaude est d’environ 1090°C. Plusieurs rampes de montée ont par ailleurs dû être testées, afin que la température dans le four suive correctement la température de consigne, même avec un léger décalage d’au plus 10°C. Une rampe de montée de 10°C/min est bien trop rapide. Le four n’atteint la température de palier qu’avec un retard de près de deux heures, ce qui ampute ces deux heures à la durée de palier demandée. Avec une rampe de montée de 5°C/min, le retard est moindre, mais ce retard par rapport à la consigne est encore de presque une heure. La rampe de montée doit être fixée à 3°C/min pour que la température de consigne soit respectée et que la durée du palier soit celle voulue.

Les mesures ayant été faites à l’aide d’un thermocouple, il a été nécessaire de vérifier également la fiabilité des mesures de cet instrument. Pour cela, des anneaux de contrôle thermique ont été utilisés (anneaux PTCR-LTH, Ferro). En évaluant le retrait volumique de cet anneau, il est possible de connaître la température maximale vue par l’anneau. Cette température a été évaluée à 1091°C sur le palier, avec l’anneau, ce qui correspond bien aux mesures faites avec le thermocouple.

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Un anneau a également été utilisé pour essayer de déterminer les gammes de températures atteintes dans le four précédent. Ne connaissant pas la durée effective du palier à la température de consigne, puisqu’il n’est pas possible de mesurer la température réelle au cours du temps, notamment dans les rampes de montée, la température dans le four tubulaire utilisé précédemment est évaluée entre 1107°C et 1117°C. Cette mesure a été faite cette fois aussi pour une température de consigne sur le palier de 1080°C, ce qui signifie un delta en température d’au moins 27°C, ce qui est extrêmement élevé compte-tenu de la sensibilité de la réaction à la température. Cette différence significative entre la température de consigne et la température réelle pourrait être à l’origine des fluctuations dans les résultats obtenus en début de thèse.

Les essais sont alors faits de façon à placer les échantillons dans la zone chaude déterminée précédemment, avec des rampes de montée en température de 3°C/min, et en suivant la température réelle au cours du temps grâce au thermocouple placé proche de l’échantillon.