DĂ©carburation
La décarburation est le résultat d'un traitement permettant d'abaisser le taux de carbone dans des fontes ou des aciers.
Phénomène
Selon la profondeur, ou le volume, de métal affecté par la décarburation, on distingue la décarburation de surface (traitement métallurgique d'une pièce) et la décarburation dans la masse du métal à l'état fondu (réalisée avec un convertisseur dans une aciérie).
DĂ©carburation de surface
Entre 1 100 et 1 300 °C, en atmosphère oxydante le carbone a tendance à s'échapper de la surface d'une pièce en acier. Les couches superficielles s'appauvrissent en carbone par rapport aux couches internes :
- le carbone situé en surface réagit avec l'atmosphère oxydante (cf. diagramme d'Ellingham), par exemple dans une atmosphère contenant de l'oxygène, on a:
- 2 C(s) + O2 → 2 CO↗, et ;
C(s) + O2 → CO2↗ ;
- 2 C(s) + O2 → 2 CO↗, et ;
- l'oxydation du carbone à la surface et son élimination en phase gazeuse (CO, CO2) crée un gradient de concentration en carbone dissout dans le métal, ce qui « pompe » par diffusion le carbone situé dans la masse en profondeur vers la surface.
La limite d'élasticité Re, la résistance à la rupture Rm et la dureté H diminuent.
La décarburation peut être volontaire : c'est une manière de diminuer la teneur en carbone d'un acier. Cependant, cela concerne les couches superficielles de la pièce. La décarburation peut également être un phénomène « parasite », non recherché, durant des procédés de travail à chaud comme le laminage à chaud ou bien le recuit si la surface de la pièce à traiter entre en contact direct avec l'oxygène atmosphérique (en absence de gaz inerte de protection comme de l'azote ou de l'argon).
DĂ©carburation en phase liquide
La décarburation en phase liquide à l'état fondu (par ex. dans de la fonte en fusion) se fait soit par réaction du carbone dissous avec des granules d'oxyde de fer(II) FeO :
- C + FeO(granule) → CO(bulle) + Fe(liquide)
soit par réaction du carbone avec l'oxygène atmosphérique (réaction à la surface du bain fondu) ou bien avec de l'oxygène injecté :
- 2 C + O2 (bulle) → 2 CO(bulle)
Les deux réactions produisent des bulles de monoxyde de carbone CO qui s'échappent du bain[1].
L'oxyde de fer (FeO) peut provenir du laitier, pour la conversion de la fonte en acier. Il peut aussi provenir directement de la réaction entre le fer et l'oxygène injecté.
L'injection d'oxygène est utilisée soit pour la conversion de la fonte en acier, soit pour l'affinage de l'acier (obtention d'un acier à basse teneur en carbone), dans les procédés industriels AOD (argon oxygen decarburisation), RH-OB (dégazage sous vide par recirculation), VOD/ASV (vacuum oxygen decarburisation, affinage sous vide) ou CAS-OB (composition adjustment by sealed argon bubbling and oxygen blowing)[2].
Opération inverse
A l'inverse, il est possible d'enrichir un alliage de fer en carbone. La cémentation consiste à enrichir en carbone la surface d'une pièce en acier afin de pouvoir la durcir par trempe superficielle. Lorsque l'on souhaite transformer de l'acier de recyclage en fonte, on effectue une carburation en chauffant l'acier mélangé à du coke en combustion dans un four nommé cubilot.
Bibliographie
- (en) Jean Philibert et al., Métallurgie, du minerai au matériau, Paris, Dunod, , 1177 p. [détail des éditions] (ISBN 2-10-006313-8)