Brevet FR2565256A1 — publié le 19851206

La présente invention concerne une feuille d'acier faiblement allié, revêtue d'aluminium, utile conmme support de catalyseur et comme enveloppe d'ou- til et un procédé pour sa préparation. Plus particu- lièrement, l'invention concerne une feuille d'acier faiblement allié au titane, laminée à froid et revêtue d'aluminium au trempé à chaud, qui peut être formée à la température ordinaire et a de bonnes propriétés de résistance aux températures élevées et qui, de préfé- rence, est adaptée à la croissance d'une couche épaisse de whiskers en forme d'épines d'oxyde d'aluminium con- venant pour retenir un revêtement superficiel d'un mé- tal catalytique pour l'emploi dans un convertisseur catalytique monolithique d'un moteur à combustion in- terne. Dans le monde entier, il est nécessaire de réduire la pollution atmosphérique provoquée par les gaz d'échappement des automobiles et autres, ce qui rend très nécessaire un convertisseur catalytique plus efficace et moins coûteux pour éliminer les polluants atmosphériques des gaz d'échappement. Le brevet US 4 279 782 de Chapman et Coll. décrit un procédé per- fectionné pour préparer un support de catalyseur pour l'emploi dans un convertisseur catalytique, qui com- prend une feuille d'acier inoxydable ayant une épais- seur d'environ 0,051 mm (0,002 inch) et présentant une bonne résistance à l'oxydation à température élevée lorsqu'on l'expose à l'action des gaz d'échappement et qui est adaptée à la croissance d'une couche adhérente épaisse de whiskers, en forme d'épines, d'oxyde d'alu- minium pour supporter un catalyseur à métal noble. La feuille d'acier décrite dans le brevet de Chapman et Coll. est faite par enlèvement de la pelli- cule sous forme d'une bande sans fin d'une billette en rotation faite d'acier inoxydable contenant 15-25 % de chrome, 3-6 % d'aluminium et éventuellement jusqu'à 1 % d'un métal des terres rares, le reste étant essentiel- lement du fer. La feuille d'acier pour croissance de whiskers de Chapman et Coll. nécessite l'emploi d'une quantité importante de chrome relativement coûteux, ce qui accroit notablement le coût de la structure servant de support au catalyseur. La feuille d'acier inoxydable contenant du chrome a une aptitude limitée au formage telle qu'elle est obtenue et elle nécessite un recuit avant de pouvoir être transformée en une structure servant de support à un catalyseur. Donc on ne dispose pas dans le commerce d'une feuille d'acier peu coûteuse résistant aux températures élevées portant un revêtement superficiel d'aluminium. Le brevet US 3 214 820 de Smith et Coll. décrit un procédé de préparation de feuilles d'acier par lamina- ge à froid d'une bande d'acier revêtue, plaquée avec un métal protecteur, mais on ne considère possible en pratique la préparation d'une feuille d'acier à partir d'acier revêtu au trempé à chaud que lorsque le métal de revêtement ne forme pas une couche intermétallique en profondeur entre la base d'acier et le revêtement métallique superficiel. Bien que l'on ait produit une feuille d'acier revêtue au trempé à chaud de zinc et d'étain, il n'a pas été possible de produire une feuil- le d'acier portant un revêtement uniforme et adhérent d'aluminium par laminage à froid d'une bande d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud, par suite de la couche inter-métallique de fer-aluminium dure et fra- gile, qui se forme naturellement lorsqu'on plonge une bande d'acier dans un bain de revêtement au trempé à chaud, même lorsque le bain contient un additif métal- lique, tel que du silicium. Smith et Coll. indiquent que lorsqu'on lamine à froid une bande d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud, pour obtenir une épais- seur correspondand à une pellicule avec une diminution de l'épaisseur supérieure à environ 70 %, la couche intermétallique dure et fragile empêche la formation d'une surface uniforme et lisse d'aluminium sur la feuille d'acier. De plus, lorsqu'on réduit à plus d'en- viron 50 % de son épaisseur d'origine une bande d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud, le revêtement se sépare facilement de l'acier (voir le brevet US 2 170 361 de Whitfield). L'invention a donc pour objet: - de fournir un procédé pour produire de façon économique une feuille d'acier faiblement allié, revê- tue d'aluminium au trempé à chaud, laminée à froid qui peut être formée à la température ordinaire sans recuit et qui résiste à l'altération par oxydation à une tem- pérature élevée pouvant atteindre environ 1.150 C (2.100 F), - de fournir une feuille d'acier revêtue d'alumi- nium au trempé à chaud, laminée à froid, uniforme et lisse qui peut être formée à la température ordinaire sans altération de l'intégrité du revêtement d'alumi- nium, - de fournir une feuille d'acier revêtue d'alumi- nium au trempé à chaud, laminée à froid, qui a une bon- ne résistance à l'oxydation et à la corrosion lorsqu'on l'expose à l'action des gaz d'échappement d'automobiles, à des températures entre environ 899 C (1.650 F) et 1.000 C (1.832 F), - de fournir de façon économique une feuille d'a- cier stabilisé faiblement allié, revêtue d'aluminium au trempé à chaud et laminée à froid qui est adaptée à la croissance d'un revêtement superficiel adhérent et épais de whiskers, semblables à des épines, d'oxyde d'aluminium, et - de fournir une feuille d'acier revêtue d'alumi- nium au trempé à chaud et laminée à froid qui résiste à l'oxydation et à la corrosion lorsqu'on la chauffe à une température élevée dans une atmosphère de gaz d'é- chappement d'automobiles et qui est adaptée à la crois- sance d'un revêtement superficiel épais de whiskers, en forme d'épines, d'oxyde d'aluminium. D'autres buts de l'invention apparaîtront au spécialiste a l'examen des dessins annexés dans les- quels: la figure 1 est une microphotographie à un grossissement de 500 fois après attaque au Nital d'une coupe d'une feuille d'acier laminée à froid, revêtue d'aluminium au trempé à chaud, épaisse d'environ 0,051 mm (0,002 inch) portant sur chaque face un revêtement d'aluminium épais d'environ 5,1 pm (0,0002 inch) for- mée par laminage à froid d'une bande d'acier à faible teneur en carbone stabilisé et faiblement allié au ti- tane, revêtue d'aluminium au trempé à chaud, épaisse d'environ 0,51 mm (0, 020 inch) dont l'épaisseur a été réduite d'environ 90 % avec un laminoir à froid Send- zimir, et la figure 2 est une microphotographie à un grossissement de 10.000 fois montrant la couche épais- se de whiskers, en forme d'épines, d'oxyde d'aluminium formée sur la surface de la feuille d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud de la figure 1. La Demanderesse a découvert qu'une feuille d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud peut être produite pour atteindre un ou plusieurs des buts précé- dents de l'invention, par application avec un appareil intégré de revêtement d'aluminium au trempé à chaud en continu classique, d'un revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud ayant une épaisseur entre environ ,4 Lm et environ 76 pm (0,001 et 0,003 inch) en ap- portant entre environ 6 et 12 % en poids d'aluminium à une bande d'acier à faible teneur en carbone stabilisé, faiblement allié au titane, ayant une épaisseur d'en- viron 0,25 nmn à environ 0,76 mm (0,010 inch et 0,030 inch) et en laminant à froid la bande d'acier faible- ment allié au titane revêtue au trempé à chaud d'alu- minium sans recuit pour diminuer d'environ 85 à 95 % l'épaisseur de la bande d'acier revêtue d'aluminium et fournir une feuille d'acier revêtue d'aluminium ayant une épaisseur comprise de préférence entre environ 0,038 mm et environ 0,089 mm (0,0015 et 0,0035 inch). Pour fournir une feuille d'acier revêtue d'a- luminium peu coûteuse pouvant être formée à la tempéra- ture ordinaire, ayant de bonnes propriétés de résistance aux températures élevées, dont les propriétés de crois- sance de whiskers lui permettent de servir de support à un revêtement catalytique dans un convertisseur cataly- tique monolithique et ayant d'autres applications indus- trielles nécessitant la résistance à l'oxydation, il s'est révélé nécessaire de former la bande d'acier à partir d'un acier à faible teneur en carbone stabilisé et de préférence d'un acier à faible teneur en carbone stabilisé faiblement allié au titane. L'acier faiblement allié au titane est de préférence un acier qui a été désoxydé pour éliminer l'oxygène libre, tel qu'un acier désoxydé à l'aluminium. La teneur en carbone de l'acier faiblement allié au titane est généralement comprise entre environ 0,02 % en poids et 0,10 % en poids de car- bone, bien qu'un acier dégazé sous vide contenant moins de 0,02 % en poids de carbone puisse être utilisé. L'a- cier à faible teneur en carbone et en titane doit con- tenir suffisamment de titane pour qu'il se combine avec la totalité du carbone de l'oxygène et de l'azote de l'acier et de plus, suffisamment de titane pour assurer un léger excès de titane non combiné, de préférence au moins 0,02 % en poids. La teneur en titane de l'acier doit toujours être inférieure à environ 1,0 % en poids et ne doit généralement pas dépasser environ 0,6 % en poids. Le titane dans l'acier stabilisé améliore la ré- sistance à l'oxydation à température élevée de l'acier revêtu d'aluminium et accroit généralement la résistan- ce mécanique de l'acier à température élevée par forma- tion de carbure de titane et améliore les propriétés de laminage à froid et de ductilité à la température ordi- naire de la bande et de la feuille d'acier revêtues d'aluminium au trempé à chaud. Un acier à faible teneur en carbone stabilisé faiblement allié au titane typique convenant à la for- mation d'une feuille d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud, selon la présente invention, a la com- position suivante exprimée en poids: 0,04 % de carbo- ne, 0,50 % de titane, 0,20-0,50 % de manganèse, 0,012 % de soufre, 0,010 % de phosphore, 0,05 % de silicium, 0,020-0,090 % d'aluminium, le reste étant essentielle- ment du fer avec les impuretés inévitables. Pour former une pellicule d'acier revêtue d'aluminium peu coûteuse par laminage à froid d'une bande d'acier stabilisé, faiblement allié au titane, revêtue d'aluminium au trempé à chaud, les épaisseurs de la bande d'acier et du revêtement d'aluminium qu'el- le porte, sont critiques et doivent être très soigneuse- ment ajustées. Ainsi, pour revêtir d'aluminium au trem- pé à chaud une bande d'aluminium avec un appareil de revêtement en continu d'aluminium intégré à la produc- tion, il est essentiel que la bande d'acier soit suf- fisamment épaisse pour résister aux efforts du trans- port à travers l'appareil de revêtement en continu au trempé à chaud, mais pas au point qu'il soit impossi- ble de réduire de façon économique l'épaisseur de la bande revêtue pour qu'elle corresponde à une feuille d'acier ne mesurant pratiquement pas moins de 0,038 mm ni plus d'environ 0,089 mm (0,0015 et 0,0035 inch) par diminution d'environ 90 % de l'épaisseur de la bande d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud. Une autre limitation importante de l'épais- seur de la bande d'acier que l'on revêt à chaud au trempé avec une chaine de revêtement au trempé à chaud de type Sendzimir, est que la température de la bande, après préparation par nettoyage de la surface, soit ajustée à la température du bain de revêtement d'alu- minium au trempé à chaud avant que la bande soit plon- gée dans le bain alors qu'elle se déplace à une vites- se suffisante pour former un revêtement d'aluminium au trempé à chaud ayant l'épaisseur nécessaire pour assurer une résistance prolongée à l'oxydation à tem- pérature élevée à la bande d'acier revêtue d'alumi- nium. Une bande d'acier ayant une épaisseur entre environ 0,25 mm (0,010 inch) et 0,76 mm (0,030 inch) s'est révélée satisfaire aux exigences précédentes et être appropriée au revêtement d'aluminium au trempé à chaud avec un appareil de revêtement d'aluminium en continu au trempé à chaud intégré, tel qu'une chalne de revêtement continu au trempé à chaud de type Send- zimir conçue pour déplacer la bande d'acier à une vi- tesse linéaire d'environ 85 m/min (280 feet/minute) et son épaisseur est ensuite réduite d'environ 85 à 95 % pour fournir une feuille d'acier revêtue d'aluminium ayant une épaisseur entre environ 0,038 mm (0,0015 inch) et environ 0,089 mm (0,0035 inch). La bande d'acier re- vêtue d'aluminim au trempé à chaud peut être laminée à froid en un ou plusieurs passages à travers un laminoir à froid, tel que le laminoir à froid Sendzimir. On a également découvert qu'afin que la feuil- le revêtue d'aluminium présente une bonne résistance à l'oxydation pendant un emploi prolongé, par exemple dans un convertisseur catalytique, le revêtement d'alu- minium formé au trempé à chaud sur la bande d'acier, doit être suffisamment épais pour apporter à la feuille finie au minimum environ 6 % d'aluminium par rapport au poids de la feuille revêtue et de préférence entre en- viron 6 et 12 % en poids d'aluminium. Comme la bande d'acier et le revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud sont amincis essentiellement dans les mêmes proportions lorsqu'on lamine à froid la bande revêtue pour réduire son épaisseur d'environ 90 %, une bande d'acier ayant une épaisseur avant revêtement au trempé à chaud comprise entre environ 0,25 mm (0,010 inch) et environ 0,76 mm (0,030 inch) doit porter sur chaque face un revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud ayant une épaisseur d'au moins 25,4 pn (0,001 inch) et de préférence d'environ 51)im (0,002 inch) pour appor- ter à la bande un minimum d'environ 6 % en poids d'alu- minium. Par exemple-, après diminution à froid d'environ 90 % de l'épaisseur d'une bande d'acier revêtue d'alu- minium au trempé à chaud ayant une épaisseur d'environ 0,51 mm (0,020 inch), le revêtement d'aluminium laminé froid sur chaque face de la feuille est épais d'envi- ron 5,1 ym (0,0002 inch) et assure une concentration d'aluminium d'environ 6 % en poids par rapport au poids de la feuille d'acier revêtue d'aluminium (voir la fi- gure 1). Le revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud appliqué à la bande d'acier est de préférence un revêtement d'aluminium de type I contenant de l'alumi- nium avec environ 5 à 12 % en poids de silicium dans lequel le silicium empêche la formation indésirable en profondeur d'une couche intermétallique épaisse de fer-aluminium. Par suite du laminage à froid sévère nécessaire pour réduire l'épaisseur de la bande d'acier en la transformant en une feuille d'acier, la couche intermétallique est rompue en petits fragments et est dispersée uniformément dans le revêtement d'aluminium. Il est possible, bien que cela ne soit pas préféré, d'appliquer au trempé à chaud un revêtement d'aluminium de type II à la bande d'acier stabilisé. Comme exemple de formation d'une feuille d'a- cier revêtue d'aluminium selon la présente invention, on façonne en une feuille d'acier épaisse d'environ 0,43 mm (0,017 inch) un acier à faible teneur en carbo- ne, stabilisé, faiblement allié au titane et désoxydé à l'aluminium. L'acier à faible teneur en carbone, stabi- lisé et calmé à l'aluminium a la composition approxima- tive suivante: % en poids Carbone 0,04 Manganèse 0,25 Phosphore 0,009 Soufre 0,012 Silicium 0,06 Molybdène 0,005 Aluminium 0,060 Titane 0,50 Total de Cu, Ni, Sn, Cr résiduels 0,20 Fer complément. La bande d'acier stabilisé après nettoyage est plongée dans un bain de revêtement d'aluminium au trempé à chaud de type I ayant une température de 694 C (1.280 F) avec une chaîne de revêtement continu de type Sendzimir ayant une vitesse linéaire de 85 m/min (280 feet/minute) pour appliquer à ses deux faces un revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud ayant une épaisseur d'environ 38 pm (0,0015 inch). On lamine à froid la bande d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud avec un laminoir à froid de type Sendzimir pour obtenir une feuille d'acier épaisse d'environ 0,051 mm (0,002 inch) en 4 passages avec une diminution de l'é- paisseur de 43,6 % pour le premier passage, 45,5 % pour le second, 45,0 % pour le troisième et 39,4 % pour le quatrième, soit au total environ 90 %, sans recuit in- termédiaire. L'examen métallographique de la feuille d'acier indique un revêtement superficiel d'aluminium uniforme sur les deux faces, épais d'environ 4,6-5,1 im (0,00018-0,0002 inch) avec une couche profonde d'un composé intermétallique de type fer-aluminium complè- tement fragmentée et redispersée au hasard dans le re- vêtement d'aluminium (voir la figure 1). Théoriquement, l'aluminium dans les revêtements est suffisant, s'il diffuse totalement dans la totalité de l'épaisseur de la pellicule lorsqu'on chauffe à température élevée pour former un alliage de diffusion fer-aluminium con- tenant environ 6 % d'aluminium. Les analyses chimiques globales de la feuille revêtue d'aluminium au trempé à chaud après diffusion indiquent la présence de 6,4 % en poids d'aluminium, 0,8 % en poids de silicium et 0,40 % en poids de titane. La feuille d'acier revêtue d'aluminium, lors- qu'on la chauffe dans l'air a 1.149 C (2.100 F) pen- dant 96 heures, présente un gain de poids qui ne dépas- se pas 1 mg/cm2, a une bonne résistance à une tempéra- ture élevée de 1.000 C (1.8320 F) et lorsqu'on la sou- met à une courbure à 180 1-T à la température ordinai- re, le revêtement superficiel ne se rompt pas. La feuille d'acier revêtue d'aluminium laminée à froid convient bien pour remplacer une feuille d'"a- cier inoxydable 321" pour envelopper les outils qui sont chauffés à une température élevée, si bien qu'il n'est pas nécessaire d'entourer l'outil d'une atmosphère pro- tectrice non oxydante. La feuille d'acier revêtue d'alu- minium au trempé à chaud possède également la résistan- ce mécanique et l'aptitude au formage à la température ordinaire nécessaire pour former une enceinte protec- trice pour les outils et peut résister à des températu- res de traitement thermique atteignant environ 1.1490 C (2.1000 F). Le revêtement d'aluminium de la feuille agit comme un "piège" pour éliminer l'oxygène de l'en- ceinte et évite l'oxydation et la décarburation indé- sirables de la surface des outils pendant le cycle de traitement thermique. Lorsque la feuille d'acier revêtue d'alumi- nium est utilisée comme une structure de support d'un catalyseur dans un convertisseur catalytique, la feuil- le d'acier est ondulée longitudinalement pour fournir des passages pour le gaz lorsqu'elle est bobinée et el- le est préconditionnée à la croissance de whiskers par préchauffage dans une atmosphère de bioxyde de carbone anhydre pendant une à quatre minutes à 9009 C (1.652 F) puis est chauffée dans l'air pendant huit heures à 925 C (1.700 F) pour réaliser la croissance d'un re- vêtement superficiel de wiskers semblables à des épines (voir la figure 2) . On applique a la surface de la feuille revêtue de wiskers, semblables à des épines, un revêtement fait de poudre d'oxyde d'aluminium de type t dispersée dans un catalyseur constitué d'un gel aqueux d'alumine et de métal noble, à la surface de la feuille, comme décrit dans le brevet US 4 279 782. REVENDICATIONS 1. Feuille d'acier revêtue d'aluminium lami- née à froid ayant une épaisseur qui n'est pratiquement pas inférieure à environ 0,038 mm et d'au plus environ 0,89 mm formée par un revêtement d'aluminium au trempé à chaud d'une tôle d'acier à faible teneur en carbone, stabilisé, faiblement allié au titane, ladite tôle d'a- cier ayant une épaisseur entre environ 0,025 mm et en- viron 0,076 mm portant sur chacune de ses surfaces un revêtement d'aluminium ayant une épaisseur entre envi- ron 3,7 pm et environ 7,6 Fm, l'aluminium desdits re- vêtements constituant entre environ 6 et 12 % d'alumi- nium par rapport au poids de ladite feuille, ladite tôle d'acier revêtue d'aluminium laminée à froid ayant un composé intermétallique constitué de fer-aluminium métallique formé lors du revêtement par trempé à chaud ladite feuille, divisé en petits fragments et distri- bué uniformément dans l'ensemble du revêtement d'alumi- nium laminé à chaud et ladite feuille étant caractéri- sée en ce qu'elle peut être formée à la température ordinaire sans recuit, elle résiste à l'oxydation à des températures atteignant environ 1.149 C et elle est adaptée à la croissance d'un revêtement superficiel épais de whiskers, semblables à des épines, d'oxyde d'aluminium. 2. Feuille d'acier revêtue d'aluminium laminée à froid selon la revendication 1 dans laquelle la tota- lité du carbone de l'oxygène et de l'azote de l'aciér à faible teneur en carbone, stabilisé, est combinée chi- miquement au titane et l'acier contient un excès d'au moins environ 0,02 % en poids de titane non combiné. 3. Feuille d'acier revêtue&d'aluminium lami- née à froid selon la revendication 1 dans laquelle le- dit acier à faible teneur en carbone, stabilisé, a une teneur en carbone inférieure à 0,10 % en poids et une teneur en titane d'au moins environ 0,40 mais inférieu- re à 1,0 % en poids. 4. Feuille d'acier revêtue d'aluminium lami- née à froid selon la revendication 1 dans laquelle le- dit acier à faible teneur en carbone, stabilisé, a une teneur en carbone d'environ 0,04 % en poids et une te- neur en titane d'environ 0,50 %. 5. Feuille d'acier revêtue d'aluminium lami- née à froid selon la revendication 1 dans laquelle le- dit acier à faible teneur en carbone, stabilisé, est un acier faiblement allié au titane, desoxydé à l'alu- minium. 6. Feuille d'acier revêtue d'aluminium lami- née à froid selon la revendication 1 dans laquelle le- dit revêtement d'aluminium formé au trempé à chaud et laminé à froid, est un alliage d'aluminium et de 5-12 % en poids de silicium. 7. Support pour un revêtement contenant un catalyseur à métal noble utilisé dans un convertisseur catalytique pour le traitement des gaz d'échappement d'automobiles comprenant une feuille d'acier à faible teneur en carbone, stabilisé, fiablement allié au tita- ne, revêtue d'aluminium au trempé à chaud et laminée à froid pouvant être formée à la température ordinaire, épaisse d'environ 0,051 mm et dont la surface porte une couche formée par croissance de whiskers, en forme d'épines, d'oxyde d'aluminium. 8. Enveloppe d'outil comprenant une feuille d'acier à faible teneur en carbone stabilisé, faible- ment allié au titane, revêtue d'aluminium au trempé à chaud et laminée à froid pouvant être formée à la tem- pérature ordinaire, ayant une épaisseur qui n'est pra- tiquement pas inférieure à environ 0,038 mm et d'au plus environ 0,089 mm, ladite feuille ayant une con- centration superficielle entre environ 6 et 12 % d'a- luminium par rapport au poids de ladite feuille. 9. Un procédé pour former une feuille d'acier revêtue d'aluminium au trempé à chaud pouvant être for- mée a la température ordinaire comprenant (1) la for- mation d'une bande d'acier à faible teneur en carbone, stabilisé, faiblement allié au titane, ayant une épaisseur entre environ 0,25 mm et environ 0,76 mm, (2) l'application à ladite bande d'acier d'un revête- ment d'aluminium formé au trempé à chaud ayant une épaisseur entre environ 25 pm et environ 89 M suffi- sante pour apporter entre environ 6 et 12 %-en poids d'aluminium par rapport au poids de ladite feuille, et (3) la diminution d'environ 85 à 95 % de l'épais- seur de la bande revêtue d'aluminium au trempé à chaud par laminage à froid pour former une feuille d'acier revêtue d'aluminium ayant une épaisseur qui n'est pra- tiquement pas inférieure à environ 0,038 mm et qui est d'au plus environ 0,089 mm.