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 :
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 phase τ5 a une structure hexagonale et cristallise donc sous forme de grains globulaires ; elle est parfois appelée αH 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 Fe3Si2Al12.
La phase τ6 a une structure monoclinique et cristallise donc sous forme de grains plats et allongés ; elle est parfois appelée β 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 Fe2Si2Al9 .
La figure 1 représente en trois dimensions, dans une partie du diagramme ternaire Al-Si-Fe, les variations - axe vertical - de la température d'équilibre d'une phase liquide avec différentes phases solides dénommées comme suit : FeAl3 ≡ θ , Fe3Si2Al12 ≡ τ5, Fe2Si2Al9 ≡ τ6 , FeSiAl3 ≡ τ2 , FeSi2Al4 ≡ δ , Al ≡ aluminium , Si ≡ silicium, et d'autres phases moins importantes comme τ3, τ4.
La phase θ 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 FeAl3 .
Sur la figure 1, Si = 0% et Fe = 0% signifie Al = 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 I récapitule la composition possible des phases θ, τ5 et τ6.
(ex. : 3%)
On a fait figurer sur ce tableau I l'eutectique Al-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 :
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 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 θ dont la composition correspond approximativement à la formule chimique FeAl3.
L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
L'invention a également pour objet une tôle d'acier aluminiée dont le revêtement aluminié comprend une couche d'alliage Al-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 θ.
De préférence, l'épaisseur de cette couche alliée est inférieure ou égale à 3 µm.
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 :
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 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 τ6 ou τ5 (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 τ6 ou τ5, 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 θ ≡ FeAl3 ; 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 ≡ θ.
Ainsi, la zone d'immersion est donc une zone du bain qui est, localement, en équilibre avec la phase θ ; cette zone d'immersion correspond à une zone qui s'étend :
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 τ5 ou τ6 ; ainsi, sur la première sous-couche de phase θ, se forme alors la couche interfaciale classique principale de l'art antérieur, composée de phase τ5 ou τ6.
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 θ.
Au niveau du procédé, la caractéristique principale de l'invention porte sur une température d'immersion de bande à la fois :
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 θ 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 θ 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 :
Les aciers utilisables peuvent aussi contenir des éléments d'alliation comme Ti entre 0,1% et 1% en poids, et Al 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 l'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 τ5 déjà décrite, contiennent la même proportion de Si que cette phase τ5, 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 avec la phase τ6 ; 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 τ5.
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.
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 « Interstitial 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 τ5 ≡ Fe3Si2Al12.
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 II récapitule les résultats obtenus en fonction de la température d'immersion.
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 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.
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 θ.
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 θ directement en contact avec l'acier , le reste de la couche alliée comprenant essentiellement de la phase τ5 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 µm.
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.
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 θ , 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.
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.
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 θ , 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.