LU88730A1 - Procédé pour revêtir un substrat en acier d'une couche de zinc allié - Google Patents

Description

Procédé pour revêtir un substrat continu en acier d’une couche de zinc allié

La présente invention concerne un procédé pour revêtir un substrat continu en acier d’une couche de zinc allié.

Les tôles en acier revêtues d’une couche de zinc allié présentent à différents niveaux des avantages par rapport aux tôles en acier revêtues d'une couche de zinc métallique. Une meilleure aptitude au formage et au soudage par points - tout en gardant une bonne résistance à la corrosion - font que ces tôles sont très demandées par de nombreuses industries de transformation, dont notamment l’industrie automobile.

Actuellement, les tôles en acier revêtues d’une couche de zinc allié sont essentiellement obtenues selon un procédé appelé “galvannealing”. Ce procédé comprend deux étapes. Lors de la première étape une couche de zinc métallique est déposée sur la surface à revêtir. Lors de la deuxième étape la tôle munie du dépôt de zinc subit un recuit de diffusion. Ce recuit subséquent transforme la couche de zinc métallique en une couche de zinc allié constituée de divers composés intermétalliques Fe-Zn stables.

Le procédé le plus utilisé pour déposer le zinc métallique sur la surface à revêtir consiste à simplement immerger la tôle dans un bain de zinc fondu. Ce procédé est caractérisé par une épaisseur de revêtement relativement importante (de l’ordre de 10μΓη), ce qui est défavorable au niveau de l’aptitude au formage, de la soudabilité, de l’aspect des surfaces et du recyclage des tôles ainsi revêtues. Il existe par conséquent un besoin pour un procédé industriellement applicable permettant d’obtenir des dépôts de zinc plus faibles.

Des procédés qui permettent d'obtenir des revêtements ayant une épaisseur de zinc inférieure à ΙΟμηπ, sont d’une part le dépôt électrogalvanique et d’autre part le dépôt sous vide en phase vapeur.

Le dépôt électro-galvanique est un grand consommateur d’énergie électrique et pose des problèmes au niveau du traitement des effluents.

Un procédé pour revêtir une tôle en acier d’une couche mince de zinc allié faisant intervenir un dépôt sous vide en phase vapeur est par exemple connu du document FR-A-2626010. La tôle en acier passe d’abord dans un four de pré-traitement dans lequel la tôle est soumise à une atmosphère légèrement réductrice et/ou oxydante à température élevée. Ensuite la tôle est refroidie à une température située entre 190 et 280°C avant de passer dans une chambre d’évaporation étanche dans laquelle on évapore du zinc dans un vide poussé de üordre de 13,3 à 1,33 Pa (0.1 à 0.01 Torr). Le maintien de la température de la tôle en acier entre 190 et 280°C garantit l’adhérence du zinc à la tôle tout en évitant son évaporation. A la sortie de la chambre d’évaporation la tôle munie d’un dépôt de zinc métallique passe d’abord dans une chambre de refroidissement avant d’être introduite dans un four de recuit. Dans ce dernier la tôle est de nouveau réchauffée pour obtenir une diffusion du zinc dans l’acier où il y a formation d’une couche de zinc allié constituée de divers composés intermétalliques Fe-Zn stables. Le pompage d’un vide poussé et les multiples étapes chauffage/refroidissement successives intervenant dans ce procédé conduisent à un bilan énergétique très défavorable. De plus, l’évaporation du zinc dans un vide poussé complique considérablement la mise en oeuvre du procédé et nécessite une ligne de traitement compliquée. Il s’ensuit que l’intérêt du procédé reste limité à des applications qui justifient des prix de revient assez élevés.

Il subsiste dès lors un besoin fortement ressenti pour un procédé plus simple et moins destructeur d’énergie pour revêtir un substrat continu en acier d’une couche de zinc allié dont l’épaisseur est inférieure à 10 μΐη.

Une solution à ce problème a été trouvée dans un procédé selon la revendication 1.

Selon la présente invention on met également la surface à revêtir du substrat continu en acier en contact avec une vapeur de zinc dans une enceinte close. Cependant, au lieu de déposer une couche métallique de zinc sur la surface à revêtir et faire subir à cette couche de zinc métallique un recuit de diffusion subséquent, on ajuste la température du substrat, sa vitesse de défilement à travers ladite enceinte close et les paramètres de la vapeur de zinc dans ladite enceinte close de façon à ce que le zinc diffuse dans le substrat sans laisser subsister de couche résiduelle de zinc métallique notable sur la surface à revêtir. Un recuit de diffusion pour transformer un dépôt de zinc métallique en divers composés intermétalliques Fe-Zn devient dès lors superflu, ce qui a une influence favorable sur le bilan énergétique du procédé.

La température du substrat à l’entrée de ladite enceinte close est ajustée en fonction de la composition de l’acier, en fonction de l'épaisseur du substrat, ainsi qu’en fonction de l’épaisseur et de la structure du revêtement recherchées. Cette température du substrat se situe normalement entre 450°C et 900°C. Une nette amélioration du rendement de revêtement, c’est-à-dire de l’épaisseur du revêtement obtenue pour une vitesse de défilement donnée du substrat, est le plus souvent obtenue si l’on augmente la température du substrat au-dessus de 500°C.

Les paramètres de la vapeur de zinc sur lesquels on peut agir pour influencer l’épaisseur et la structure du revêtement sont notamment la température en phase gazeuse et la pression partielle. La pression totale régnant dans ladite enceinte close est de préférence sensiblement égale ou supérieure à la pression atmosphérique. Il s’ensuit qu’on n’a plus besoin de maintenir un vide à l’intérieur de l’enceinte close dans laquelle le substrat continu en acier est en contact avec la vapeur de zinc. Une légère surpression à l'intérieur de ladite enceinte close évite par ailleurs que l’air puisse entrer en quantités notables dans ladite enceinte close et polluer l'atmosphère réactive à l’intérieur de celle-ci.

La pression totale régnant dans ladite enceinte close est de préférence ajustée à l’aide d'un gaz auxiliaire, par exemple un gaz inerte. On peut cependant aussi utiliser un gaz réactif, et notamment un gaz réducteur (par exemple de l’hydrogène) qui forme avec les oxydes résiduels sur la surface à revêtir des composés volatils. Dans ce cas, il est recommandé de renouveler l’atmosphère dans ladite enceinte close, de façon à éviter une concentration trop élevée de ces composés volatils.

Le préchauffage du substrat continu en acier est avantageusement accompagné d’un “nettoyage chimique” à température élevée de la surface à traiter. A cette fin, le préchauffage du substrat peut notamment avoir lieu dans un four où règne une atmosphère réductrice, par exemple une atmosphère enrichie d'hydrogène, qui réagit avec des oxydes sur la surface à revêtir pour former de la vapeur d’eau. Il sera apprécié qu’un refroidissement intermédiaire du substrat entre l’étape de “nettoyage chimique” à température élevée et l’étape de revêtement, qui a lieu aussi à température élevée, n’est plus requis, ce qui améliore davantage le bilan énergétique du procédé.

Pour obtenir une structure micrographique déterminée du substrat et/ou de son revêtement, il peut être indiqué d’imposer au substrat revêtu, immédiatement à la sortie, un refroidissement forcé contrôlé.

Le procédé selon la présente invention sera normalement utilisé pour obtenir des épaisseurs de la couche de zinc allié comprises entre 0,1 et 5 μηι, de préférence entre 0,2 et 2 μιτι.

On ne sortirait pas du cadre de la présente invention, si le substrat traité selon la présente invention recevait ultérieurement un revêtement supplémentaire, soit par un procédé du même genre, soit par un procédé différent. On ne sortirait pas non plus du cadre de la présente invention, si le substrat à revêtir selon la présente invention avait déjà reçu un premier revêtement, notamment un revêtement à haut point de fusion. Il est par ailleurs aussi envisageable de mettre l’acier simultanément en contact avec au moins une deuxième phase vapeur, notamment une phase vapeur d’un métal.

Une installation permettant la mise en oeuvre d’un procédé selon l’invention est décrite, de façon schématique, à l’aide de la Figure 1 en annexe.

La Figure 1 représente de façon très schématique un tronçon d’une ligne de traitement 8 d’une bande en acier 10. Cette ligne de traitement 8 comprend un réacteur 12 qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre d’un procédé de revêtement selon la présente invention. Le réacteur 12 forme une enceinte close comprenant un sas d’étanchéité d’entrée 14 et un sas d’étanchéité de sortie 16, qui permettent à la bande 10 de défiler à travers le réacteur 12 tout en assurant un isolement du réacteur 12 du reste de la ligne de traitement 10. Dans une exécution simple et efficace, les sas d'étanchéité sont des siphons remplis de plomb liquide à travers lesquels on fait passer la bande en acier 12. L’étanchéité du réacteur pourrait cependant aussi être assurée mécaniquement, par exemple par des paires de rouleaux qui coincent la bande en acier.

Le réacteur 12 est rempli de vapeur de zinc obtenue en réchauffant du zinc liquide contenu dans une cuve 18 située dans sa partie inférieure. On reste de préférence en dessous de la température d’ébullition du zinc, mais une surchauffe de la vapeur de zinc est envisageable. La flèche 20 est censée représenter l’approvisionnement de la cuve 18 en zinc liquide. Ce dernier est de préférence préparé dans un four de fusion classique situé à l’extérieur du réacteur 12. Il importe de noter que la longueur de la cuve 18 en direction du défilement de la bande 10 est un paramètre sur lequel on peut agir pour optimiser le rendement de revêtement. Dans ce contexte il convient d’insister sur le fait que la cuve représentée sur la Figure 1 est aussi censée représenter de façon symbolique toute source apte à alimenter le réacteur 12 en vapeur de zinc, respectivement en vapeur de zinc surchauffée.

De préférence, le réacteur 12 est maintenu en légère surpression par rapport à l’atmosphère afin d’éviter toute infiltration d’air. La flèche 22 est censée représenter un moyen d’injection d’un gaz auxiliaire, servant à ajuster la pression totale régnant à l’intérieur du réacteur 12. Ce gaz auxiliaire peut être soit un gaz neutre (par exemple de l'azote), soit un gaz réactif (par exemple un gaz réducteur tel que l’hydrogène), soit un mélange de plusieurs gaz (par exemple un mélange azote/hydrogène).

La flèche 24 est censée représenter un moyen pour extraire un flux gaz/vapeur du réacteur 12 afin d’éviter un accroissement de la concentration de produits de réaction volatils, qui se forment lorsqu’on injecte un gaz réactif. Ces produits de réaction volatils pollueraient en effet l'atmosphère dans le réacteur 12 et auraient une influence néfaste sur le rendement du procédé de revêtement et/ou l’adhérence et/ou la structure du revêtement.

Avant d’entrer dans le réacteur 12, la bande en acier 10, qui se trouve initialement enroulée en bobine (non montrée), est normalement soumise à des opérations de dégraissage, de nettoyage, de recristallisation et d’avivage de la surface par recuit ou passage à chaud sous atmosphère réductrice (N2 et H2).

Selon une caractéristique importante de la présente invention, la température du substrat, sa vitesse de défilement et les paramètres de la vapeur de zinc sont ajustés de façon à ce que le zinc diffuse dans le substrat continu en acier sans former une couche de zinc métallique sur la surface à revêtir qui nécessiterait un recuit de diffusion subséquent pour la transformer en zinc allié. Avant le réacteur 12, la bande 10 est préchauffée à une température située normalement plus élevée que 450°C, de préférence à une température supérieure à 500°C. Pour éviter un grossissement du grain d’acier néfaste pour les propriétés mécaniques de la bande en acier il est recommandé de ne pas préchauffer la bande 10 à une température supérieure à 900°C. Ce préchauffage peut par exemple se faire par induction électromagnétique, par rayonnement ou par contact direct avec des flammes. Il peut avoir lieu sous atmosphère réductrice, par exemple sous une atmosphère azote/hydrogène, afin d’obtenir simultanément un “nettoyage chimique” de la bande. Des facteurs qui influent sur le choix de la température de préchauffe sont notamment: la qualité de l’acier, l’épaisseur de la bande, l'épaisseur et la structure micrographique du revêtement qu’on veut obtenir, ainsi que les valeurs adoptées ou à adopter pour les autres paramètres ajustables, telles que la pression partielle de la vapeur de zinc, la température en phase gazeuse dans le réacteur, la vitesse de défilement de la bande 10 à travers le réacteur 12 et la vitesse de refroidissement de la bande 10 à la sortie du réacteur.

A la sortie du réacteur, le revêtement ne nécessite plus de traitement thermique pour transformer un dépôt de zinc métallique en divers composés intermétalliques Fe-Zn. La tôle revêtue peut être directement refroidie à l’air libre ou subir un refroidissement forcé contrôlé dans un fluide. Un tel refroidissement forcé contrôlé permet de conférer des propriétés mécaniques particulières à la tôle revêtue.

Des déformations ou défauts de surface éventuels de la tôle revêtue sont éliminées à froid par des procédés connus, tels que le planage sous traction ou le “skin-pass”. Additionnellement le revêtement peut être “passivé” par traitement chimique et/ou un revêtement organique mince.

Il sera noté que procédé décrit permet de faire un dépôt sur deux faces ou sur une seule face de la bande 10. Pour obtenir un dépôt sur une seule face de la bande 10, il suffit par exemple de bloquer par des écrans mécaniques le passage de la vapeur de zinc dans la partie supérieure du réacteur 12, de sorte que seule la face inférieure de la bande soit en contact avec la vapeur de zinc.

Claims (14)

1. Procédé pour revêtir au moins une surface d’un substrat continu en acier d’une couche de zinc allié, dans lequel l’on met la surface à revêtir en contact avec une vapeur de zinc dans une enceinte close, caractérisé en ce que l’on ajuste la température du substrat, sa vitesse de défilement et les paramètres de la vapeur de zinc de façon à ce que le zinc diffuse dans le substrat continu en acier sans former une couche de zinc métallique sur la surface à revêtir qui nécessiterait un recuit de diffusion subséquent pour la transformer en zinc allié.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du substrat continu en acier à revêtir se situe entre 450°C et 900°C.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température du substrat continu en acier à revêtir est supérieure à 500°C.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les paramètres de la vapeur de zinc sur lesquels on agit sont la température et la pression partielle.

5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression totale régnant dans ladite enceinte close est sensiblement égale ou supérieure à la pression atmosphérique.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression totale régnant dans ladite enceinte close est ajustée à l’aide d’un gaz auxiliaire.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz auxiliaire est un gaz inerte.

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz auxiliaire est un gaz réducteur.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’atmosphère dans ladite enceinte close est renouvelée en continu.

10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le préchauffage du substrat continu en acier a lieu dans une atmosphère réductrice.

11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que à la sortie de ladite enceinte close on impose immédiatement un refroidissement forcé au substrat continu en acier.

12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite enceinte close comprend au moins un siphon rempli de plomb liquide à travers lequel on fait passer le substrat continu en acier.

13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l’épaisseur du revêtement de zinc allié est comprise entre 0,1 et 5 μίτι, de préférence entre 0,2 et 2 μίτι.

14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le substrat continu en acier est une bande en acier.