Une opération de traitement thermique se déroule en trois étapes qui impliquent différents paramètres, notamment la durée de chacune d’elles, la température appliquée mais aussi l’atmosphère ambiante. En effet, au contact de certains matériaux, la présence d’un gaz peut provoquer une réaction modifiant les caractéristiques chimiques et physiques des pièces placées dans le four de traitement. Ce phénomène peut s’avérer bénéfique ou, à l’inverse, préjudiciable pour l’opération. Ainsi, certains traitements requièrent une atmosphère dite neutre mais protectrice, sans impact sur les métaux, et d’autres, une atmosphère réactive pour favoriser l’apparition de nouveaux éléments chimiques.
Deux formes d’atmosphère contrôlée
Réaliser une opération sous atmosphère contrôlée implique de diffuser un gaz ou un mélange de gaz dans le milieu qui entoure les pièces lors du traitement. En d’autres termes, il s’agit d’insérer une atmosphère spéciale dans le four de traitement pour transformer les propriétés physiques et chimiques des pièces qui s’y trouvent. L’air ambiant peut impacter les matériaux pendant le processus et fait partie des paramètres essentiels à définir avant toute opération de traitement thermique, au même titre que la température de chauffe, de refroidissement et la durée de chaque étape.
Selon l’objectif de l’opération, il convient donc de bien déterminer à l’avance si un gaz spécial doit être inséré dans le four ou non. On distingue deux types d’atmosphère contrôlée : neutre ou réactive. Dans le premier cas, l’atmosphère ne joue aucun rôle dans le processus et ne doit pas impacter les matériaux. Dans le deuxième, en revanche, elle réagit avec les métaux et fait l’objet d’une étude et d’un dosage précis.
Traitement sous atmosphère contrôlée neutre
Comme son nom le laisse entendre, l’atmosphère neutre ne réagit pas avec les matériaux présents dans le dispositif de traitement. Le plus souvent, l’air ambiant est tout simplement aspiré pour faire le vide, mais il peut aussi se voir remplacé par de l’argon, qui fait partie des gaz neutres. Cette technique s’emploie beaucoup pour les opérations de recuit, de stabilisation et de trempe car elle contribue grandement à supprimer les risques d’oxydation de surcarburation ou décarburation dans le cadre des alliages de fer (les aciers).
Ainsi, tous les métaux peuvent subir un traitement se déroulant dans une atmosphère neutre. En effet, les matériaux purs comme les alliages de fer, d’aluminium, de nickel ou encore de titane supportent très bien ce type d’opération. Cette méthode convient particulièrement aux matériaux plus sensibles, comme les alliages de nickel, de titane ou les aciers inoxydables, souvent traités sous argon (ou sous vide), c’est-à-dire en l’absence totale d’atmosphère. Par exemple, pour certains alliages composant des pièces destinées à l’aéronautique, un traitement sous argon reste indispensable.
L’atmosphère contrôlée neutre et le vide présentent l’avantage considérable de réduire le risque d’oxydation, grâce à l’absence d’oxygène au cours du processus. De plus, ces solutions constituent les plus écologiques car elles n’émettent aucun gaz nocif pour l’environnement.
Traitement sous atmosphère contrôlée réactive
Une atmosphère réactive, à l’inverse, agit sur les matériaux lors du traitement. Ainsi, pendant l’opération, on insère un gaz spécifique dans le four, selon un dosage et un temps définis à l’avance.
Parmi les méthodes les plus connues, on trouve notamment la cémentation et la nitruration. Dans le premier cas, l’enceinte du four de traitement est remplie d’une certaine quantité de gaz libérant du carbone et dans le deuxième cas, d’azote. Cette démarche modifie les propriétés des pièces traitées de manière plus ou moins importante. La cémentation, à base de carbone, sert avant tout à améliorer la résistance des pièces face à l’usure et à la fatigue. La nitruration quant à elle, a pour but de renforcer la dureté des métaux en surface et de prolonger leur durée de vie, grâce à la formation de nitrures en surface.
Cependant, dans la mesure où ces gaz réagissent avec les matériaux, tous les métaux ne peuvent pas subir ce type de traitement avec une atmosphère réactive. À titre d’exemple, il s’avère tout à fait possible de cémenter les aciers inoxydables mais le titane, en revanche, peut subir une nitruration mais pas une cémentation de manière industrielle. Il n’est pas non plus possible de former des composés à base de carbone ou azote avec du cuivre par exemple.
L’atmosphère présente au cours d’une opération de traitement thermique peut se révéler déterminante. Neutre, elle n’impacte pas les métaux, elle les protège mais, dans le cas d’une atmosphère réactive, elle modifie leurs propriétés physiques et chimiques. Dans la première situation, l’air naturellement présent dans le four de traitement est pompé, afin de faire le vide, ou remplacé par de l’argon, qui constitue un gaz neutre. Une atmosphère réactive implique, au contraire, de diffuser un gaz précis à base de carbone ou d’azote par exemple, pour provoquer l’apparition de nouveaux éléments chimiques sur les pièces. De ce fait, il convient de bien analyser la nature des matériaux à traiter avant de choisir un traitement thermique sous atmosphère contrôlée.
Cet article traite des différents types d’atmosphère et est couplé avec celui sur les différents types d’alliages.
