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CA 02298312 2000-02-10
SOL 98/070
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Procédé d'aluminiage d'acier permettant d'obtenir une couche
d'alliage interfaciale de faible épaisseur.
L'invention concerne un procédé d'aluminiage d'acier comprenant une
étape de trempage de la pièce d'acier à revêtir dans un bain liquide contenant
essentiellement de l'aluminium.
Lorsqu'on utilise ce procédé par trempage, le revêtement qu'on obtient sur
l'acier est généralement stratifié en plusieurs couches, dont notamment :
- une couche interfaciale ou interne, au contact de l'acier, essentiellement
composée d'un ou plusieurs alliages à base d'aluminium du bain et de fer de
l'acier ; on l'appelle également couche alliée;
- et une couche externe, généralement plus épaisse, comprenant
essentiellement une phase principale à base d'aluminium.
La couche interne d'alliage ayant un comportement fragile, on cherche
généralement à limiter son épaisseur.
Pour limiter l'épaisseur de cette couche d'alliage, on utilise généralement
des bains de trempage contenant un inhibiteur d'alliation entre l'aluminium et
l'acier.
Le silicium est l'inhibiteur d'alliation le plus couramment utilisé ; pour
être
efficace, sa concentration pondérale dans le bain de trempage est
généralement comprise entre 3 et 13%.
Dans les procédés d'aluminiage en continu, les bains de trempage sont
saturés en fer, du fait de la dissolution de l'acier dans le bain ; cette
saturation
conduit à la formation bien connue de ' mattes ; le bain liquide est alors en
équilibre avec la phase solide de ces mattes.
Dans les conditions habituelles d'aluminiage, les deux couches principales
déjà citées qui forment le revêtement aluminié peuvent alors être décrites
plus
précisément :
- la couche interfaciale alliée est essentiellement composée d'une phase
dite T5 et/ou d'une phase dite T6 ; selon les conditions d'aluminiage, elle
peut
se subdiviser en plusieurs sous-couches alliées, notamment dans le cas de
l'invention exposée ci-après.
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- la couche externe est essentiellement composée d'aluminium sous forme de
larges dendrites; ces dendrites sont saturées en fer, et, le cas échéant, en
silicium
en solution solide.
La phase T5 a une structure hexagonale et cristallise donc sous forme de
grains globulaires; elle est parfois appelée aH ou H; la teneur en fer de
cette phase
est généralement comprise entre 29 et 36% en poids; la teneur en silicium de
cette
phase est généralement comprise entre 6 et 12% en poids; le solde se compose
essentiellement d'aluminium; la composition chimique correspond
approximativement à la formule Fe3Si2AI12.
La phase ti6 a une structure monoclinique et cristallise donc sous forme de
grains plats et allongés; elle est parfois appelée a ou M; la teneur en fer de
cette
phase est généralement comprise entre 26 et 29% en poids; la teneur en
silicium de
cette phase est généralement comprise entre 13 et 16% en poids; le solde se
compose essentiellement d'aluminium; la composition chimique correspond
approximativement à la formule Fe2Si2AI9.
Selon un aspect de la présente invention il est prévu un procédé d'aluminiage
d'une pièce d'acier comprenant une étape dans laquelle on trempe la pièce dans
un
bain liquide à base d'aluminium, caractérisé en ce que pour former une
première
sous-couche de la composition et la température moyenne de ce bain d'une part,
la
température d'immersion de cette pièce dans le bain d'autre part, sont
adaptées
pour obtenir, dans la zone d'immersion de cette pièce, une température et une
composition locales de bain permettant un équilibre avec ladite phase solide
dite 6
dont la composition correspond approximativement à la formule chimique FeAI3,
pour former une première sous-couche de phase solide 6, et en ce que l'on
forme
une couche interfaciale composée de la phase dite ti5 ou la phase dite ti6 sur
la
première couche de phase A, en poursuivant la progression de la pièce dans le
bain
après la zone d'immersion de telle sorte que la composition et la température
moyenne de ce bain sont adaptées pour être en équilibre avec la phase dite T5
ou la
phase dite -u6.
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La figure 1 représente en trois dimensions, dans une partie du diagramme
ternaire AI-Si-Fe, les variations - axe vertical - de la température
d'équilibre d'une
phase liquide avec différentes phases solides dénommées comme suit : FeAI3 =9,
Fe3Si2AI12 =T5, Fe2Si2Al9 - i6 , FeSiAl3 - T2 , FeSi2AI4 - d, AI - aluminium,
Si
silicium, et d'autres phases moins importantes comme T3, T4.
La phase 9 joue un rôle important dans l'invention présentée ci-après; sa
structure est monoclinique; elle peut contenir jusqu'à 6% en poids de silicium
en
solution solide; la composition chimique correspond donc approximativement à
la
formule FeAI3.
Sur la figure 1, Si = 0% et Fe = 0% signifie AI = 100%; cette figure permet
donc d'établir la nature des phases solides qui sont susceptibles d'être en
équilibre
avec un bain d'aluminiage à l'état liquide, en fonction de la composition de
ce bain,
et de connaître la température de ce bain à l'équilibre.
La figure 2 est une projection de la figure 1; on déduit approximativement la
température d'équilibre liquide-solide à l'aide des courbes isothermes;
l'intervalle de
température entre chaque courbe est de 20 C.
Le tableau 1 récapitule la composition possible des phases 6, T5 et T6.
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Tableau I- Composition du bain et des principales phases obtenues après
solidification du revêtement d'aluminium
Composition : AI Si Fe
% massique
Bain >86% 3 à 13% saturation
(ex. : 3%)
Eutectique 87 12,2 0,8
Phase T6 55 à 61 13 à 16 26 à 29
Phase T5 55 à 62 6 à 12 29 à 36
PhaseO 52à64 0à6% 36à42
On a fait figurer sur ce tableau I l'eutectique AI-Si-Fe dont la température
de fusion est de 578 C.
La couche interne interfaciale du revêtement à base d'aluminium est donc
fragile ; elle a donc tendance à se fissurer lors de la mise en forme des
pièces
aluminiées, notamment des tôles ; ces fissurations entraînent une diminution
de la protection contre la corrosion apportée par le revêtement ; pour obtenir
des revêtements aluminiés plus résistants à la fois à la mise en forme et à la
corrosion, on cherche donc à limiter l'épaisseur de cette couche interfaciale.
L'invention a donc pour but, dans un procédé d'aluminiage de ce type, de
limiter l'épaisseur de la couche interfaciale.
Selon l'art antérieur, pour parvenir à ce but, on procède classiquement en
respectant les deux conditions suivantes :
1- tremper la pièce d'acier à revêtir à une température aussi basse que
possible, de manière à limiter la croissance de la couche d'alliage
interfacial ;
2- utiliser un bain liquide d'aluminiage dont la composition correspond, à
l'équilibre liquide-solide, au domaine d'existence des phases solides T6 ou
T5.
La condition 2 conduit à utiliser des bains dont la teneur en silicium est
supérieure à 7,5%, de préférence de l'ordre de 9% (voir figure 1 et 2).
Ainsi, selon le document EP 0 760 399 (NISSHIN STEEL) et plus
particulièrement selon le document JP 4 176 854 - A (NIPPON STEEL), dans
une procédé d'aluminiage en continu de bande d'acier, il est conseillé
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d'immerger la bande à une température inférieure à la température moyenne
du bain : ainsi, pour un bain contenant 9% de silicium dont la température est
en général comprise entre 650 et 680 C, la température d'immersion de la
bande sera au maximum de 640 C.
Le demandeur a déterminé des conditions différentes de celles de l'art
antérieur qui permettent d'aboutir à une épaisseur sensiblement plus faible de
couche interfaciale et qui vont à l'encontre des présupposés sous-jacents aux
procédés classiques de l'art antérieur.
Dans le but d'obtenir une épaisseur de couche interfaciale encore plus
faible pour que le revêtement aluminié résiste mieux à la fois à la corrosion
et à
la fissuration, l'invention a pour objet un procédé d'aluminiage d'une pièce
d'acier comprenant une étape dans laquelle on trempe la pièce dans un bain
liquide à base d'aluminium, caractérisé en ce que la composition et la
température moyenne de ce bain d'une part, la température d'immersion de
cette pièce dans le bain d'autre part, sont adaptées pour obtenir, dans la
zone
d'immersion de cette pièce, une température et une composition locales de
bain permettant un équilibre avec la phase solide dite 0 dont la composition
correspond approximativement à la formule chimique FeAl3.
L'invention peut également présenter une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes :
- la composition et la température moyenne de ce bain sont adaptées
pour être en équilibre avec la phase dite T5 ou la phase dite c6, de
préférence
avec la phase T6.
- ce bain liquide est saturé en fer.
- la température d'immersion de cette pièce est supérieure à la
température du bain.
- si la teneur en silicium dans le bain est de 8% environ, ladite
température d'immersion est comprise entre 700 et 740 C, de préférence égale
à environ 720 C.
- si la teneur en silicium dans le bain est de 9% environ, ladite
température d'immersion est comprise entre 720 et 765 C, de préférence égale
à environ 730 C.
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- si la teneur en silicium dans le bain est de 9,5% environ, ladite
température d'immersion est comprise entre 740 et 760 C, de préférence égale
à environ 740 C.
L'invention a également pour objet une tôle d'acier aluminiée dont le
5 revêtement aluminié comprend une couche d'alliage AI-Fe-Si et une couche
superficielle d'aluminium, susceptible d'être obtenue par le procédé selon
l'invention, caractérisé en ce que ladite couche d'alliage comprend, au
contact
du substrat d'acier, une sous-couche composée essentiellement de phase 0.
De préférence, l'épaisseur de cette couche alliée est inférieure ou égale à
3 m.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures
annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente, en trois dimensions, dans une partie du
diagramme ternaire AI-Si-Fe, les variations - axe vertical gradué en C - de
la
température d'équilibre d'une phase liquide avec différentes phases solides
d'aluminium, de silicium ou d'alliages AI-Si-Fe ; sur les axes horizontaux,
sont
reportés le pourcentage pondéral en Si d'une part (de 0 à 40%), et le
pourcentage pondéral en Fe d'autre part (de 0 à 30%), le complément du
ternaire étant de l'aluminium.
- la figure 2 est une projection de la figure 1, où les températures
d'équilibre liquide-solide sont représentées à l'aide de courbes isothermes
distantes de 20 C ; l'axe horizontal représente le pourcentage pondéral en
silicium ( weight percentage silicon en langue anglaise) gradué de 0 à 20%,
l'axe oblique gauche représente le pourcentage pondéral en fer ( weight
percentage iron en langue anglaise) gradué de 0 à 14%, le complément du
ternaire étant de l'aluminium (AI).
On va maintenant décrire le procédé d'aluminiage selon l'invention dans le
cadre du revêtement en continu d'une bande d'acier.
L'installation d'aluminiage comporte d'une manière classique des moyens
de nettoyage, des moyens de recuit, des moyens de trempage dans un bain
d'aluminiage, des moyens d'essorage de la couche à base d'aluminium
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entraînée par la bande à la sortie du bain, des moyens de refroidissement et
des moyens pour faire défiler la bande en continu dans l'installation.
Pour procéder à l'aluminiage, on utilise, comme dans l'art antérieur, un
bain dont la composition correspond au domaine d'existence de la phase r6 ou
-c5 (condition 2 ci-dessus).
Selon l'invention, la température de la bande au moment où elle rentre
dans le bain, ou température d'immersion de la bande, est supérieure à la
température moyenne du bain.
Comme la bande pénètre alors dans le bain à une température supérieure
à celle de l'équilibre avec la phase -r6 ou T5, elle provoque un échauffement
local du bain dans la zone d'immersion de la bande ; cet échauffement local
entraîne une dissolution de ferrite superficielle de la bande et un
enrichissement en fer de la zone d'immersion.
Selon l'invention, la température et l'enrichissement en fer de la zone
d'immersion doivent être suffisamment élevées pour que, dans cette zone, la
phase solide susceptible d'être en équilibre avec la phase liquide corresponde
à la phase 0= FeAI3 ; de la sorte, dans la zone d'immersion, la première sous-
couche solide se déposant sur la bande d'acier correspond à la phase FeAl3
0.
Ainsi, la zone d'immersion est donc une zone du bain qui est, localement,
en équilibre avec la phase 0; cette zone d'immersion correspond à une zone
qui s'étend :
- en épaisseur, jusqu'à une distance de 30 m environ de la surface de la
bande
- en longueur, le long de la bande, entre, d'une part, le niveau de début de
contact direct entre la surface solide de l'acier et le bain liquide et,
d'autre part,
le niveau où commence à se solidifier une couche interfaciale classique
composée de phase T5 ou ti6 par dessus la première sous-couche de phase 0
propre à l'invention.
Ainsi, en poursuivant sa progression dans le bain après la zone
d'immersion, la bande se refroidit jusqu'à la température moyenne du bain qui
correspond à la température d'équilibre avec la phase solide T5 ou T6 ; ainsi,
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sur la première sous-couche de phase 0, se forme alors la couche interfaciale
classique principale de l'art antérieur, composée de phase T5 ou ti6.
En sortie de bain, d'une manière classique, la bande en défilement
entraîne une couche qui est essorée et se solidifie au refroidissement ; on
obtient alors la bande aluminée selon l'invention dont la couche alliée
interfaciale comprend, au contact de l'acier, une sous-couche essentiellement
composée de phase 0.
Au niveau du procédé, la caractéristique principale de l'invention porte sur
une température d'immersion de bande à la fois :
- suffisamment élevée pour que le premier composé solide à se former au
contact de l'acier cristallise selon la phase 0,
- suffisamment faible pour limiter l'épaisseur de la couche alliée
interfaciale.
Alors que les températures d'immersion selon l'invention sont largement
supérieures à celles que l'on pratique dans l'art antérieur lorsqu'on souhaite
limiter l'épaisseur de la couche alliée interfaciale, on constate, contre
toute
attente, que la couche interfaciale alliée obtenue présente une épaisseur
beaucoup plus faible que dans l'art antérieur.
La bande aluminée selon l'invention résiste par conséquent beaucoup
mieux à la fois à la corrosion et à la fissuration.
Sans vouloir se limiter à aucune explication définitive de l'invention, il
semblerait que, parmi les phases alliées, la phase 0 soit la plus rapide à
pouvoir se former sur la bande en début d'immersion, que cette formation
rapide permet de limiter la quantité de ferrite qui passe en solution dans le
bain,
ce qui limite également l'épaisseur de la couche alliée.
Par rapport à l'enseignement du document EP 0 760 399 déjà cité, selon
lequel il convient de raccourcir la durée d'immersion et/ou la durée entre la
sortie du bain et la fin de solidification du revêtement, l'invention ajoute
une
condition adaptée pour former en priorité la phase 0 sur le substrat.
L'invention est applicable aux tôles à froid et aux tôles à chaud, à tous les
types d'acier aluminiables au trempé :
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- aciers au carbone de type IF (voir exemple 1), aciers calmés aluminium,
microalliés ou multiphasés comme les aciers dits Dual Phase , ou
TRIPS ;
- aciers ferritiques comprenant entre 0,5% et 20% en poids de chrome,
notamment les aciers inoxydables comprenant généralement entre 6% et 20%
de chrome.
Les aciers utilisables peuvent aussi contenir des éléments d'alliation
comme Ti entre 0,1 % et 1% en poids, et AI entre 0,01 % et 0,1 % en poids, par
exemple l'acier inoxydable ferritique référencé AISI 409 ; d'autres éléments
d'addition adaptés à des propriétés recherchées et/ou d'autres éléments
résiduels peuvent être présents dans ces aciers ; lorsque l'acier contient ces
éléments d'alliation, d'addition et/ou résiduels, le revêtement obtenu sur la
tôle
est généralement enrichi en ces éléments.
Dans le cas de I'aluminiage d'un acier contenant au moins 0,5% en poids
de chrome, l'invention permet de limiter, au sein de la couche superficielle à
base d'aluminium du revêtement, l'apparition de phases enrichies en chrome ;
ces phases sont apparentées à la phase -r5 déjà décrite, contiennent la même
proportion de Si que cette phase T5, contiennent plus de 5% en poids de
chrome, généralement entre 6% et 17% de chrome ; la présence de cette
phase dans la couche superficielle du revêtement est préjudiciable à la
qualité
du revêtement ; l'invention permet de limiter sinon de supprimer cette phase
dans la couche superficielle du revêtement.
Avantageusement, dans le procédé d'aluminiage selon l'invention, comme
la bande à revêtir est à une température supérieure à celle du bain, on peut
se
servir de la bande pour réchauffer le bain, pour compenser les pertes
thermiques du bain, pour maintenir le bain à la température souhaitée.
En termes de bilan énergétique, ce procédé est avantageux, puisque dans
la succession des étapes par lesquelles passe la bande - recuit,
refroidissement à la température d'immersion, trempé, essorage,
refroidissement pour solidification - on effectue un refroidissement après
recuit
moins important que dans l'art antérieur.
De préférence, pour mettre en oeuvre le procédé, on utilise un bain dont
la composition et la température moyenne sont adaptées pour être en équilibre
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avec la phase T6 ; on constate que les mattes qui résultent de ces bains sont
moins gênantes au niveau de la qualité du revêtement obtenu que les mattes
qui résultent d'autres bains, notamment ceux dont la composition et la
température moyenne sont adaptées pour être en équilibre avec la phase ti5.
Pour procéder selon cette variante, il suffit, selon les indications fournies
par la figure 2, d'augmenter la teneur en silicium et/ou d'abaisser la
température moyenne du bain.
Pour la mise en oeuvre de l'invention, on se basera sur les diagrammes de
phase correspondant à la nuance d'acier utilisée, car les frontières entre les
domaines d'existence de phases représentés sur les diagrammes des figures 1
et 2 peuvent varier selon la nuance d'acier utilisé, par exemple selon la
teneur
en chrome.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemple 1 :
Cet exemple a pour but d'illustrer l'invention dans le cas de l'aluminiage
en continu d'une bande d'acier de nuance IF-Ti ( IF signifie lnterstitial
Free en langue anglaise, Ti signifie que le carbone de l'acier est
bloqué
par du titane) dans un bain d'aluminiage classique saturé en fer, contenant 9%
en poids de silicium et maintenu à la température moyenne de 675 C environ.
Dans ces conditions, le bain se saturant naturellement en fer jusqu'à
l'apparition de mattes solides, la phase liquide du bain est en équilibre avec
la
phase solide -r5 = Fe3Si2AI12.
Sur cette bande d'acier, on procède à différents essais d'aluminiage dans
des conditions en tous points identiques sauf la température d'immersion de la
bande ; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et de la solidification
du
revêtement est de l'ordre de 13 secondes.
Sur les échantillons aluminiés obtenus, on évalue, d'une manière
classique, l'épaisseur de la couche interfaciale alliée du revêtement ; on
procède par exemple par observations métallographiques sur des coupes de
ces échantillons.
Le tableau Il récapitule les résultats obtenus en fonction de la température
d'immersion.
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Tableau Il - Épaisseur en fonction de la température de bande à l'immersion.
Température de bande : 675 C 720 C 730 C 750 C 765 C
Épaisseur de la couche alliée ( m) 5-6 6-7 2-3 4-5 7
Sur la base des enseignements de l'art antérieur, en vue d'obtenir une
épaisseur de couche interfaciale alliée aussi faible que possible, on aurait
5 trempé la bande à une température inférieure ou égale à 675 C (= température
du bain).
Selon l'invention illustrée par ces résultats, en vue du même objectif, il
convient au contraire de tremper la bande à une température supérieure à
720 C et inférieure 765 C, de préférence de l'ordre de 730 C.
10 En se reportant aux figures 1 et 2, on vérifie bien que, pour cette teneur
en silicium (9%), cette plage de température correspond bien au domaine
d'équilibre du bain saturé en fer avec la phase solide 0.
Lorsque l'on procède dans cette plage de température, notamment à
730 C, en sortie d'aluminiage, on obtient alors une tôle revêtue dont la
couche
alliée interfaciale présente une sous-couche composée essentiellement de
phase 0 directement en contact avec l'acier , le reste de la couche alliée
comprenant essentiellement de la phase T5 comme dans l'art antérieur ;
globalement, l'épaisseur totale de la couche alliée est beaucoup plus faible
que
dans l'art antérieur puisque l'on parvient, selon les résultats ci-dessus, à
une
épaisseur moyenne inférieure ou égale à 3 m.
Exemple 2 :
On procède comme dans l'exemple 1 à la différence près que le bain
contient cette fois 8 % en poids de silicium et que sa température est
maintenue à environ 650 C ; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et
de la solidification du revêtement est cette fois de l'ordre de 11 secondes.
Le tableau III récapitule les résultats obtenus en fonction de la
température d'immersion.
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Tableau III - Épaisseur en fonction de la température de bande à l'immersion.
Température de bande: 650 C 680 C 720 C 730 C 740 C
Épaisseur de la couche alliée ( m) 4 5 2-3 3 >3
On constate cette fois que la température optimale d'immersion est
comprise entre 680 C et 740 C, de préférence proche de 720 C ; selon la
figure 2, pour atteindre le domaine d'existence de la phase 0, il conviendrait
que la température soit supérieure ou égale à 700 C environ ; le domaine de
température privilégié correspondrait donc à la plage 700-740 C.
Exemple 3:
On procède comme dans l'exemple 1 à la différence près que le bain
contient cette fois 9,5 % en poids de silicium et que sa température est
maintenue à environ 650 C ; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et
de la solidification du revêtement est cette fois de l'ordre de 10 secondes.
Le tableau IV récapitule les résultats obtenus en fonction de la
température d'immersion.
Tableau IV - Épaisseur en fonction de la température de bande à l'immersion.
Température de bande ( C) 650 700 715 740 750 760
Épaisseur de la couche alliée ( m) 5-6 5-6 7 3 5 7-8
On constate cette fois que la température optimale d'immersion est
comprise entre 715 C et 760 C, de préférence proche de 740 C ; selon la
figure 2, pour atteindre le domaine d'existence de la phase 0, il conviendrait
que la température soit supérieure ou égale à 740 C environ le domaine de
température privilégié correspondrait donc à la plage 740-760 C.
Le tableau V reprend les conclusions des exemples 1 à 3.
Tableau V - Température d'immersion en fonction de la teneur Si dans le bain.
Teneur en Si dans bain : 8% 9% 9,5%
Domaine pratique de
température d'immersion ( C) : 700-740 720-765 740-760
Température optimale : 720 C 730 C 740 C
