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Gaz de process : Comprendre la pression partielle et le traitement thermique par convection

Conçus pour évacuer les gaz atmosphériques au début d'un processus de traitement thermique, tout en étant capables d'introduire des gaz de traitement pour atteindre des pressions sub-atmosphériques spécifiques, les fours à vide sont excellents pour contrôler la quantité, la source et la qualité du gaz à l'intérieur de la cuve du four à tout moment au cours d'un processus.

L'introduction de gaz inertes pendant le processus de trempe est une technique largement reconnue pour contrôler la vitesse et les résultats de la trempe. En outre, l'ajout de gaz de traitement spécifiques au fur et à mesure que les températures de la chambre augmentent peut offrir d'autres avantages et améliorer les résultats dans diverses applications de traitement thermique.

La première étape d'un processus de four sous vide consiste à éliminer l'air atmosphérique de la chambre de pression. Le chauffage des pièces métalliques les rend exceptionnellement réceptives aux réactions avec les éléments couramment présents dans les gaz atmosphériques (comme la vapeur d'eau ou l'oxygène), de sorte que l'élimination des gaz atmosphériques limite considérablement les réactions indésirables. Toutefois, l'introduction délibérée de gaz de traitement peut créer des réactions ou des conditions souhaitables dans le cadre du processus.

La possibilité de recharger avec un gaz de traitement pendant la montée en puissance peut présenter des avantages importants. Certaines opérations peuvent nécessiter l'introduction d'un très faible volume de gaz (.01 Torr à 10 Torr) pour faciliter l'élimination des oxydes en utilisant de l'hydrogène, pour ajouter un élément comme le carbone à des fins de cémentation, ou pour ajouter un gaz inerte afin de limiter la sublimation du chrome au cours d'un processus à haute température impliquant de l'acier. D'autres recettes peuvent prévoir l'introduction d'une quantité suffisante de gaz de traitement (1 Atm ou plus) pour permettre le chauffage par convection en faisant fonctionner un ventilateur interne afin de chauffer uniformément les pièces qui ont des géométries complexes ou de grandes sections transversales.

Conception d'un four comprenant deux orifices pour le gaz à pression partielle, régulés par des capteurs de débit massique.

Nous voyons ici une jauge de régulation reliée à un capteur de débit massique, régulée par une vanne de blocage et un papillon manuel à pression partielle pour maximiser le contrôle du gaz circulant dans le système.

Pression partielle : maintenir le contrôle de la réaction à une pression proche du vide

Les procédés à pression partielle sont des recettes qui introduisent un très faible débit de gaz de traitement dans le four après qu'il a été pompé, ce qui peut créer ou contrôler des réactions à mesure que les températures augmentent. Les gaz de traitement peuvent être des gaz inertes comme l'argon ou l'azote, ou des gaz réactifs comme l'hydrogène ou l'acétylène.

Un processus de traitement thermique à pression partielle peut être utilisé comme purge pour s'assurer que la plupart des atomes et molécules restants dans les gaz atmosphériques sont évacués du four par l'ajout d'un gaz inerte. Les gaz inertes comme l'argon, lorsqu'ils sont ajoutés à la cuve pendant la montée en puissance, peuvent repousser les atomes ou molécules plus petits comme l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, ce qui les oblige à trouver rapidement les sorties lorsque le système évacue le four une deuxième fois.

Le gaz inerte peut également contribuer à ralentir le processus de sublimation d'éléments tels que le chrome, qui a tendance à s'évaporer à des températures élevées et à des pressions extrêmement basses. La moindre pression exercée par un gaz inerte peut contribuer à empêcher la détérioration des produits en acier à base de chrome.

Certains aciers sont particulièrement sensibles à l'oxydation et peuvent même avoir accumulé des oxydes à leur surface avant le traitement thermique. L'introduction d'hydrogène* dans le processus de traitement thermique à des températures spécifiques peut encourager certains oxydes métalliques à réagir avec l'hydrogène dans la chambre, réduisant ainsi l'occurrence de l'oxydation.

Dans les procédés de transformation, comme la cémentation basse pression AvaC par exemple, l'ajout d'un gaz de procédé comme l'acétylène à basse pression peut aider à fournir une solution de cémentation qui répond à des exigences spécifiques. Cela peut s'avérer particulièrement efficace pour les pièces présentant des microgéométries très complexes : la fabrication de métal en poudre, par exemple.

Au-delà de ces processus, les systèmes de gaz à pression partielle peuvent également être utilisés pour empêcher le collage par diffusion entre les pièces et les montages, ainsi que pour fournir une étape de refroidissement intermédiaire qui peut rendre le refroidissement sous vide plus efficace.

Traitement thermique par convection

Les procédés par convection introduisent un gaz inerte dans le système de pompage jusqu'à ce que la pression à l'intérieur de la cuve soit égale ou supérieure à une atmosphère. Une atmosphère est comparable à la pression de l'air dans une pièce à température ambiante.

Il peut sembler contre-productif de pomper un four jusqu'à ce qu'il soit presque sous vide, pour ensuite le remplir d'un autre gaz à la même pression qu'avant le pompage, mais en contrôlant soigneusement les éléments présents dans le gaz de remplissage, les entreprises de traitement thermique s'assurent que leurs pièces ne réagiront pas avec les éléments indésirables qui peuvent être présents dans l'air ambiant, comme l'eau ou l'oxygène.

Les fours à vide délivrent leur charge thermique principalement par rayonnement. Dans le vide, l'absence d'atmosphère élimine le risque de transfert de chaleur par convection. Cela permet à l'opérateur de contrôler de manière significative les températures du processus et l'homogénéité de la chambre tout au long des étapes critiques de la transformation thermique. Cependant, comme la chaleur rayonnante fournit de l'énergie dans une direction linéaire, les courbes et les crevasses peuvent affecter de manière significative l'homogénéité du processus de traitement thermique.

L'ajout d'un gaz inerte à un système à une atmosphère de pression ou plus peut aider à l'apport de chaleur par convection, ce qui permet de mieux contrôler la consistance thermique d'une pièce complexe. Le chauffage par convection est beaucoup plus efficace que le chauffage par rayonnement à des températures plus basses.

Les courants créés par un ventilateur interne garantissent que la chaleur est diffusée dans toute la géométrie d'une pièce sophistiquée. Le gaz en mouvement peut offrir une distribution thermique plus cohérente dans les creux et les recoins pour garantir que les pièces sont portées à température à un rythme beaucoup plus rapide avant d'être pompées pour le trempage final. Le processus qui en résulte garantit des températures plus homogènes sur toutes les surfaces, du début de la rampe jusqu'au pic thermique, en un temps beaucoup plus court, ce qui permet d'accélérer les temps de cycle pour les pièces compliquées.

Conclusion

Alors que les opérateurs de fours à vide ont tendance à se concentrer sur la fourniture de gaz de trempe, la possibilité de fournir un gaz de traitement pendant les étapes de rampe et de trempage donne aux opérateurs l'occasion d'accroître la fonctionnalité de leur four. Les fours à vide sont un outil idéal pour produire des pièces propres et cohérentes à l'aide de procédés tels que le traitement thermique par pression partielle ou par convection, en raison de leur contrôle exceptionnel des gaz présents dans la chambre au cours d'un cycle de traitement thermique.

Pour en savoir plus sur la façon dont vous pouvez utiliser le traitement thermique par pression partielle dans votre four sous vide, contactez-nous à l'adresse suivante technical@ipsenusa.com.