Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02218445 1997-10-08
SOL 96/064
TOLE ALUMINIEE A FAIBLE EMISSIVITE.
La présente invention concerne le domaine des tôles
aluminiées.
Elle a trait spécifiquement aux tôles aluminiées dont la couche
de revêtement est constituée d'un alliage aluminium-silicium, utilisées par
exemple pour réaliser des écrans thermiques de lignes d'échappement de
véhicules automobiles.
Le but d'un écran thermique est d'isoler les pièces se situant
io derrière lui de la source de chaleur située devant lui. Ainsi, un écran
thermique doit être capable d'absorber le moins d'énergie possible, ou en
d'autres termes, d'en renvoyer le maximum. Cela se traduit par une faible
émissivité du matériau constitutif, ou en d'autres termes, une réflectivité
élevée.
is Les écrans thermiques sont donc réalisés dans des matériaux
qui, d'une part, présentent des caractéristiques mécaniques suffisantes, une
bonne aptitude au formage, une bonne résistance à la corrosion, et d'autre
part une faible émissivité.
II est connu de réaliser des écrans thermiques à partir de tôles
2o aluminiées dont la couche de revêtement est constituée d'un alliage
aluminium-silicium.
Une telle tôle est par exemple une tôle en acier doux, revêtue
sur ses deux faces principales d'un alliage aluminium-silicium par passage au
trempé dans un bain en fusion dudit alliage.
Lors du passage de la tôle dans le bain d'aluminiage, il y a
développement d'une couche d'alliage fer-aluminium-silicium.
De ce fait, le revêtement présente, en coupe métallographique,
la structure suivante
- une couche de surface de composition voisine de celle du
3o bain,
- une couche sous-jascente d'alliage ternaire, ayant la
composition suivante Fe3Si2A1~2.
Ces tôles aluminiées présentent une émissivité totale faible,
inférieure à 0,2, et donc une réflectivité élevée, supérieure à 80 %.
s Cette caractéristique se maintient jusqu'à 450°C.
CA 02218445 1997-10-08
2
Ce matériau est donc très intéressant et largement utilisé pour
des parois intérieures de fours industriels ou domestiques, des réflecteurs de
chaleur sur tous les appareils chauffants ménagers, ou pour réaliser les
écrans thermiques destinés aux parties les moins chaudes des lignes
s d'échappement des véhicules automobiles.
II est connu d'améliorer les propriétés de ce matériau par une
passe dans une cage écrouisseuse, appelée "skin-pass" avec des cylindres
lisses, mais si cette amélioration permet de diminuer légèrement l'émissivité
du matériau, elle ne permet pas de lui conserver ses propriétés pour des
lo utilisations à très hautes températures.
La présente invention a pour but de résoudre ce handicap en
ayant pour objet une tôle aluminiée dont (a couche de revêtement est
constituée d'un alliage aluminium-silicium, présentant une émissivité faible
et
utilisable à titre d'écrans thermiques de sources de chaleur dont la
is température est supérieure à 500°C, telles que par exemple les
parties les
plus chaudes des lignes d'échappement de véhicules automobiles.
L'invention concerne plus particulièrement une tôle d'acier
revêtue sur au moins une de ses faces principales d'une couche d'un
revêtement constitué d'un alliage à base d'aluminium comportant de
20 l'aluminium et du silicium, avec en pour-cent pondéraux moins de 11 % de
silicium, essentiellement du type comportant en pour-cent pondéraux entre 7
et 11 % de silicium et entre 87 et 93 % d'aluminium, caractérisé en ce que la
face revêtue présente une émissivité monochromatique inférieure à 0,15 pour
toutes les longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et 15 micromètres.
2s Selon une autre caractéristique, la face revêtue présente une
émissivité monochromatique inférieure à 0,10 pour toutes les longueurs
d'ondes comprises entre 5 et 15 micromètres, et une émissivité
monochromatique comprise entre 0,10 et 0,15 pour toutes les longueurs
d'ondes comprises entre 1,5 et 5 micromètres.
3o L'invention concerne également un procëdé de fabrication d'une
telle tôle d'acier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
- élaboration d'une tôle d'acier revêtue sur au moins une de ses
faces principales d'une couche d'un revêtement à l'état solide, constitué d'un
alliage à base d'aluminium comportant de l'aluminium et du silicium, avec en
3s pour-cent pondéraux moins de 11 % de silicium, du type comportant en pour-
cent pondéraux entre 7 et 11 % de silicium et entre 87 et 93 % d'aluminium,
CA 02218445 1997-10-08
- 3
- chauffage de la couche de revêtement jusqu'à une température
T1, supérieure à la température T2 de fusion dudit revêtement,
- maintien de la couche de revêtement à ce niveau de
température supérieure à la température de fusion du revêtement pendant
s une durée comprise entre 0 et 100 secondes, de préférence entre 0 et 10
secondes,
- refroidissement de la tôle jusqu'à une température au moins
égale à la température de fin d'alliation entre le revêtement et l'acier, de
préférence jusqu'à la température ambiante.
io Selon d'autres caractéristiques
- la température de chauffage T1 est comprise entre la
température de fusion de la couche de revêtement et 650°C ;
- la température T1 est supérieure, entre 10 et 15°C, à la
température de fusion de la couche de revêtement ;
is - le chauffage de la couche de revêtement est effectué à une
vitesse comprise entre 20 et 100°C par.seconde ;
- le refroidissement de la tôle est un refroidissement naturel à
l'air libre, ou un refroidissement forcé par rayonnement ;
- le refroidissement de la tôle est un refroidissement forcé à
20 l'air ;
- le refroidissement de la tôle s'effectue en au moins deux
étapes comprenant
- un refroidissement naturel jusqu'à la température T2 de fusion
du revêtement,
2s - puis un refroidissement forcé à l'air jusqu'à la température de
fin d'alliation entre le revêtement et l'acier ;
- la tôle d'acier revêtue sur au moins une de ses faces
principales d'une couche d'un revêtement à l'état solide, constitué d'un
alliage
à base d'aluminium, du type comportant de l'aluminium et du silicium, avec en
3o pour-cent pondéraux moins de 11 % de silicium, est élaborée par trempage
d'un substrat d'acier dans un bain en fusion contenant entre 9 et 10 % de
silicium, environ 3 % de fer, le reste étant de l'aluminium, et
refroidissement
jusqu'à une température inférieure à la température de fusion du revêtement.
Enfin l'invention concerne également un écran thermique
3s constitué à partir d'une telle tôle.
CA 02218445 1997-10-08
4
Les caractéristiques et avantages apparaïtront mieux à la suite
de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en
référence à la planche unique de dessins annexée, sur laquelle
- la figure 1 est une courbe représentant l'émissivité spectrale
s d'une tôle aluminiée B selon l'invention, et d'une tôle aluminiée A de
l'état de
la technique ;
- les figures 2 et 3 sont des courbes représentant l'effet du
chauffage d'une tôle aluminiée selon l'invention sur son émissivité.
Comme on peut le voir sur la figure 1, la caractéristique
io principale de la tôle aluminiée revêtue sur au moins une de ses faces
principales d'une couche d'un revêtement constitué d'un alliage à base
d'aluminium, du type comportant de l'aluminium et du silicium, avec en pour
cent pondéraux moins de 11 % de silicium, selon l'invention, réside dans le
fait que la face revêtue présente une émissivité monochromatique inférieure à
is 0,15 pour toutes les longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et 15
micromètres.
Plus précisément, la face revêtue présente une émissivité
monochromatique inférieure à 0,10 pour toutes les longueurs d'ondes
comprises entre 5 et 15 micromètres, et une émissivité monochromatique
2o comprise entre 0,10 et 0,15 pour toutes les longueurs d'ondes comprises
entre 1,5 et 5 micromètres.
Le terme émissivité monochromatique doit être compris comme
étant le rapport entre la luminance du matériau considéré à une longueur
d'onde donnée, sur la luminance d'un corps noir à cette même longueur
2s d'onde, et à la même température.
Une telle tôle d'acier aluminiée selon l'invention est fabriquée en
plusieurs étapes.
Une première étape consiste à élaborer une tôle d'acier revêtue
sur au moins une de ses faces principales d'une couche d'un revêtement à
30 l'état solide, constitué d'un alliage à base d'aluminium comportant de
l'aluminium et du silicium, avec en pour-cent pondéraux moins de 11 % de
silicium, du type comportant en pour-cent pondéraux entre 7 et 11 % de
silicium et entre 87 et 93 % d'aluminium.
Une seconde étape consiste à chauffer la couche de revêtement
3s jusqu'à une température T1, supérieure à la température de fusion T2 dudit
revêtement.
CA 02218445 1997-10-08
II faut comprendre par température de fusion T2 la température
de début de fusion du revêtement. En effet, un revêtement à base
d'aluminium, tel que celui décrit ci-dessus, se présente sous la forme de
dendrites d'aluminium avec une phase interdendritique et une phase
s dentritique. La phase interdendritique fond à une température inférieure à
la
phase dendritique, et la température T2 dont il est question est la
température de fusion de cette phase interdendritique.
Dans une troisième étape, on maintient la couche de revêtement
à cette température T1, ou en tout cas supérieure à T2 pendant une durée
io comprise entre 0 et 100 secondes, de préférence de l'ordre de 2 à 10
secondes.
Enfin, la dernière étape consiste à refroidir la tôle jusqu'à une
température au moins égale à la température de fin d'alliation entre le
revêtement et l'acier, et de préférence jusqu'à une température égale à la
ls température ambiante.
Ce procédé de fabrication permet de refondre le revêtement
aluminié.
L'élaboration de la tôle d'acier revëtue sur au moins une de ses
faces principales d'une couche d'un revêtement à l'état solide, constitué d'un
2o alliage d'aluminium-silicium, du type par exemple comportant en pour-cent
pondéraux entre 7 et 11 % de silicium et entre 87 et 93 % d'aluminium,
correspondant à la première étape du procédé de l'invention, peut être
effectuée par trempage d'un substrat d'acier dans un bain en fusion
contenant entre 9 et 10 % de silicium, environ 3 % de fer, le reste étant de
2s l'aluminium, et refroidissement jusqu'à une température inférieure à la
température de fusion du revêtement.
II est très important que la tôle d'acier aluminiée élaborée dans
la première étape du procédé présente une couche de revêtement à l'état
solide, c'est à dire qu'elle a été refroidie jusqu'à une température
inférieure à
30 la température de fusion du revêtement.
Peu importe, pour obtenir les caractéristiques en matière
d'émissivité de la tôle selon l'invention, que cette température soit égale à
la
température de fusion du revêtement moins quelques degrés, par exemple
moins 5 ou 10 °C, ou égale à la température ambiante.
3; La température T1 atteinte par la tôle au cours du chauffage
réalisé dans la seconde étape du procédé doit impérativement être
CA 02218445 1997-10-08
6
supérieure à la température T2 de fusion du revêtement, afin d'assurer une
refusion de la couche de revêtement, pour obtenir les caractéristiques en
matière d'émissivité de la tôle selon l'invention.
De préférence, cette température T1 est comprise entre la
s température de fusion de la couche de revêtement et 650°C.
Cette limite à 650°C permet d'une part de limiter le coût de la
seconde étape, et, d'autre part, a un effet bénéfique sur la limitation du
phénomène d'alliation entre le revêtement et l'acier.
Pour s'assurer que la couche de revêtement est refondue en
io tout point, il est préférable de chauffer la tôle jusqu'à une température
T1
comprise entre la température T2 de fusion de la couche de revêtement plus
10°C et la température T2 de fusion de la couche de revëtement plus
15°C.
Cette caractéristique permet en effet de s'affranchir des
possibles phénomènes de légères hétérogénéités de température dus par
is exemple à des hétérogénéités d'épaisseur de la couche de revêtement, ou au
procédé de chauffage mis en oeuvre.
II est important que l'on atteigne rapidement cette température
T1 afin de limiter les phénomènes d'alliation entre le revêtement et l'acier
du
substrat. Ainsi, la vitesse de chauffage est avantageusement comprise entre
20 20 et 100°C/seconde.
Dans le cas ou la température de la couche de revêtement de la
tôle élaborée au cours de la première étape est proche de la température T2
de fusion du revêtement, on pourra choisir une vitesse de chauffage entre 20
et 30°C/seconde, car dans ce cas, il ne faut élever la température de
la tôle
2s que de quelques dizaines de degrés, de l'ordre de 20 à 50 °C.
En revanche dans le cas ou la température de la couche de
revêtement de la tôle élaborée au cours de la première étape est proche de
la température ambiante, on choisira une vitesse de chauffage entre 90 et
100°C/seconde, car dans ce cas, il ne faut élever la température de la
tôle
3o que de quelques centaines de degrés, de l'ordre de 500 à 600 °C.
La troisième étape du procédé consiste à maintenir la couche
de revêtement à cette température T1 pendant une durée comprise entre 0 et
secondes.
II est possible de procéder au refroidissement de la tôle
3s (dernière étape du procédé) immédiatement après que la couche de
CA 02218445 1997-10-08
7
revêtement a atteint en tout point une température T1 supérieure à la
température de fusion dudit revêtement.
Par exemple dans le cas ou la température T1 atteinte par la
couche de revêtement lors de l'étape de chauffage (seconde étape du
s procédé) est comprise entre la température de fusion de la couche de
revëtement plus 10°C et la température de fusion de la couche de
revêtement
plus 15°C, il est tout à fait possible de ne pas prévoir de palier de
maintien à
cette température T1. Mais le fait de maintenir la couche de revêtement à
cette température T1 ne nuit pas à l'invention dans la mesure où ce palier de
io maintien n'excède pas une centaine de secondes.
En effet, la Demanderesse s'est rendue compte que si on
maintient cette température T1 pendant une durée supérieure à 100
secondes, l'émissivité de la couche de revêtement est trop augmentée pour
un substrat en acier standard ou en acier IF titane, celle-ci commencant à
is croître à partir de 10 secondes. Dans le cas des aciers renitrurés,
l'apparition
du phénomène d'alliation étant retardé du fait de la présence d'azote,
l'émissivité n'est pas encore augmentée, mais on note un état de surface
oxydé, la tôle aluminiée présentant alors un aspect blanchâtre puis jaunâtre.
Ce phénomène est parfaitement visible sur la figure 2 qui
2o représente la courbe d'émissivité totale de la couche de revêtement en
fonction de sa température.
Cette courbe à été élaborée à partir d'une tôle aluminiée
constituée d'un substrat en acier IF titane d'épaisseur égale à 0,3 mm, revêtu
d'une couche d'un revêtement comprenant 9,5% de silicium, 3% de fer , le
2s reste étant de l'aluminium, d'épaisseur égale à 20 micromètres.
Cette tôle aluminiée, à température ambiante, a été chauffée
pour amener la température T1 de la couche de revêtement à 600°C,
supérieure à la température T2 de fusion du revêtement, en l'occurrence
480°C dans cet exemple, et a été maintenue à 600°C.
3o Durant toute la phase de chauffage et celle de maintien à
600°C, on a mesuré en temps réel l'émissivité totale de la couche de
revêtement pour les longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et 14,5
micromètres au moyen d'un spectroradiomètre.
On voit très bien sur cette courbe qu'à partir de la température
3s de fusion du revëtement, l'émissivité dudit revêtement décroît, puis après
une
dizaine de secondes de maintien à 600°C, celle-ci se remet à croître
CA 02218445 1997-10-08
8
lentement, puis plus rapidement à partir de 100 secondes de maintien à
600°C.
La Demanderesse s'est également rendu compte que cette
augmentation progressive de l'émissivité était uniquement liée à la durée du
s maintien de la couche de revêtement à la température T1.
En effet, comme on peut le constater sur la figure 2 (traits
pointillés), le fait de refroidir la couche de revêtement permet de stopper
l'augmentation de l'émissivité de la couche de revêtement.
La courbe représentée à la figure 3 permet d'illustrer l'effet
io connu de l'azote sur le phénomène d'alliation du revêtement.
Cette courbe a été élaborée à partir d'une tôle aluminiée
constituée d'un substrat en acier renitruré, présentant une teneur en azote
supérieure à celle de l'acier IF titane précédent. La couche de revêtement et
le traitement thermique réalisés sont identiques aux précédents.
is On voit très bien sur cette courbe, si on la compare à la courbe
de la figure 2, que l'émissivité du revêtement ne se remet à croitre qu'à
partir
de 120 secondes.
La dernière étape du procédé consiste donc à refroidir la tôle
jusqu'à une température au moins égale à la température de fin d'alliation
2o entre le revêtement et l'acier, de préférence jusqu'à la température
ambiante.
Ce refroidissement peut être un refroidissement naturel à l'air
libre, un refroidissement forcé par rayonnement, ou encore un
refroidissement forcé à l'air.
De préférence, le refroidissement de la tôle s'effectue en au
Zs moins deux étapes comprenant
- un refroidissement naturel entre la température T1 et la
température de fusion du revêtement,
- un refroidissement forcé à l'air entre la température de fusion
du revêtement et la température de fin d'alliation entre le revêtement et
30 l'acier.
II est préférable en effet, pour éviter de dégrader les propriétés
d'émissivité de la couche de revêtement, de réaliser dans un premier temps
jusqu'à la température de fusion du revêtement, un refroidissement sans
contact avec la couche de revêtement encore à l'état fondu.
CA 02218445 1997-10-08
9
Un refroidissement naturel à l'air, ou forcé par rayonnement en
faisant passer la couche de revêtement à proximité d'une paroi réfrigérée,
convient parfaitement pour cette première étape du refroidissement.
Réaliser un refroidissement forcé, par exemple à l'air, au moins
s entre la température de fusion du revêtement et la température de fin
d'alliation entre le revêtement et l'acier, permet de limiter ce phénomène
d'alliation.
Plus le cycle chauffage/maintien à températurelrefroidissement
est court, meilleure est la tôle aluminiée selon l'invention, car on limite
avec
io un cycle court le temps que va passer la tôle aluminiée à une température
supérieure à la température d'alliation entre le revêtement et l'acier du
substrat. On limite donc ainsi la croissance de l'alliage ternaire qui se
développe entre le substrat et la couche de surface.
La Demanderesse s'est rendue compte que la tôle aluminiée
is obtenue avec ce procédé présente non seulement une émissivité totale plus
faible que celle d'une tôle aluminiée habituelle, telle qu'issue de la
première
étape du procédé, mais également une émissivité monochromatique
sensiblement égale pour toutes les longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et
15 micromètres.
2o Cette caractéristique est parfaitement visible sur la figure 1 qui
représente l'émissivité spectrale d'une tôle aluminiée B selon l'invention, et
d'une tôle aluminiée A de l'état de la technique.
La première courbe, représentant l'émissivité spectrale d'une
tôle aluminiée A de l'état de la technique, a été élaborée à partir d'une tôle
2s aluminiée constituée d'un substrat en acier IF titane d'épaisseur égale à
0,3
mm, revêtu d'une couche d'un revêtement comprenant 9,5% de silicium, 3%
de fer, le reste étant de l'aluminium, d'épaisseur égale à 20 micromètres.
On a mesuré l'émissivité de cette tôle aluminiée pour toutes les
longueurs d'ondes comprises entre 1,3 et 15 micromëtres, ce qui correspond
3o aux longueurs d'ondes caractéristiques de l'infrarouge.
Comme on peut le constater, l'émissivité monochromatique de
cette tôle est supérieure à 0,35 pour les longueurs d'ondes comprises entre 2
et 3,6 micromètres, et n'est inférieure à 0,15 que pour les longueurs d'ondes
supérieures à 7,5 micromètres, tout en restant supérieure à 0,07.
3s Ainsi un écran thermique réalisé à partir d'une telle tôle
aluminiée sera parfaitement adapté pour isoler de sources dont l'énergie
CA 02218445 1997-10-08
radiative d'émission maximale concerne les longueurs d'ondes supérieures à
7,5 micromètres, correspondant pour les corps gris auxquels on peut
assimiler les lignes d'échappement à des températures inférieures à
500°C.
En revanche, l'effet écran thermique sera dégradé dans le cas
s de sources dont les longueurs d'ondes émises sont inférieures à 7,5
micromètres, correspondant pour les lignes d'échappement à des
températures supérieures à 500°C, c'est à dire les plus chaudes telles
que
par exemple le catalyseur.
La seconde courbe, représentant l'émissivité spectrale d'une
lo tôle aluminiée selon l'invention (B), a été élaborée à partir d'une tôle
aluminiée constituée d'un substrat en acier IF titane d'épaisseur égale à 0,3
mm, revêtu d'une couche d'un revêtement comprenant 9,5% de silicium, 3%
de fer, le reste étant de l'aluminium, d'épaisseur égale à 20 micromètres.
Cette tôle aluminiée, refroidie jusqu'à la température ambiante, a subi un
ls réchauffage jusqu'à 600°C, un maintien à cette température pendant 5
secondes, puis un refroidissement naturel jusqu'à la température ambiante.
On a également mesuré l'émissivité de cette tôle aluminiée pour
toutes les longueurs d'ondes comprises entre 1,3 et 15 micromètres.
Comme on peut le constater, l'émissivité monochromatique de
2o cette tôle aluminiée selon l'invention est inférieure à 0,15 pour toutes
les
longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et 15 micromètres, et plus
précisément comprise entre 0,10 et 0,15 pour les longueurs d'ondes
comprises entre 1,5 et 4,5, comprise entre 0,07 et 0,10 pour les longueurs
d'ondes comprises entre 4,5 et 6,5, et inférieure à 0,7 pour les longueurs
2s d'ondes supérieures à 6,5.
Ainsi un écran thermique réalisé à partir d'une telle tôle
aluminiée selon l'invention sera parfaitement adapté pour isoler de sources
dont l'énergie radiative d'émission maximale concerne les longueurs d'ondes
comprises entre 1,5 et 15 micromètres, c'est à dire pour la totalité du
spectre
3o correspondant à l'infrarouge.
Une telle tôle aluminiée selon l'invention est donc parfaitement
adaptée pour réaliser des écrans thermiques, quelle que soit la température
atteinte par la source thermique à isoler, et donc dans le cas des lignes
d'échappement pour toutes les parties d'une telle ligne, même les plus
3s chaudes.
CA 02218445 1997-10-08
11
Cette tôle aluminiée selon l'invention présente en terme
d'émissivité, des valeurs à peine supérieures à celle de l'aluminium,
supérieures de l'ordre de 0,02 à 0,03 pour les longueurs d'ondes comprises
entre 5,5 et 15 micromètres, et supérieures de l'ordre de 0,03 à 0,05 pour les
s longueurs d'ondes comprises entre 1,5 et 5,5 micromètres.
