Brevet FR2622599A1 — publié le 19890505

La présente invention concerne une tôle d'acier revêtue d'aluminium à grande résistance à la corrosion adaptée à la construction d'appareils de traitement des gaz d'échappement pour moteurs à combus- tion interne. Plus particulièrement, la présente inven- tion concerne une tôle d'acier revêtue d'aluminium résistante à la corrosion qui est douée de résistance tant à l'oxydation à sec aux températures élevées qu'à la corrosion humide par un condensat de gaz d'échappe- ment qui est alcalin dans un premier temps et acide dans un second temps, comme c'est le cas dans des appa- reils de traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne. Des tôl61es d'acier revêtues d'aluminium ont été utilisées pour fabriquer des éléments qui entrent en contact avec les gaz d'échappement d'appareils o s'opère la combustion de combustibles pétroliers. Ces tôles d'acier revêtues d'aluminium sont avantageuses en ce qu'elles sont douées,'au moins dans une certaine mesure, de résistance à l'oxydation aux températures élevées, et en ce qu'elles sont beaucoup moins coûteu- ses que les aciers réfractaires et les aciers inoxyda- bles contenant de grandes quantités d'éléments alliés et, en conséquence, ces tôles sont maintenant utilisées pour fabriquer des appareils de traitement des gaz d'échappement. La mise au point de ces tôles d'acier revê- tues d'aluminium s'effectue suivant deux directions d'approche qui sont l'étude de la composition du subs- trat d'acier et l'étude du procédé d'application du revêtement. Un exemple d'approche par la composition du substrat d'acier est donné par l'invention de la demande de brevet international publiée n 86/04361. Un exemple d'approche par la méthode d'application du revêtement est donné par l'invention de la demande de brevet japonais n 61-110527 dont la revendication principale est comme suit: "une tôle d'acier revêtue d'aluminium comprenant un substrat d'un acier essen- tiellement constitué d'au plus 0,08% en poids de C, 0,1-1,5% en poids de Si, au plus 0,50% en poids de Mn, 0,10-0,50% en poids de Cu, 0,10-0,50% en poids de Ni, 2,4-9,0% en poids de Cr et le reste de fer et d'impure- tés inévitables, et une couche de revêtement essentiel- lement constituée de 5,0-13,0% en poids de Si, 0,1-2,0% en poids de Ni et le reste d'aluminium et d'impuretés inévitables". Le point essentiel de la première réfé- rence citée consiste à revêtir d'aluminium un substrat en tôle d'acier contenant de petites quantités de Si, Mn et Cu. Le point essentiel de la seconde référence citée consiste à effectuer l'application préalable d'un revêtement de Ni en premier lieu, puis à effectuer l'application d'un revêtement de Al. Cependant, la mise en oeuvre d'une application préalable de Ni n'est pas nécessairement avantageuse du point de vue économique. En conséquence, la Demanderesse s'est efforcée de mettre au point un substrat d'acier plus avantageux et en est arrivée à la présente invention. La présente invention fournit une tôle d'acier revêtue d'aluminium douée d'une excellente résistance à la corrosion vis-à-vis des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, comprenant un substrat d'acier en tôle qui se compose essentiellement de: C: moins de 0,05% en poids Si: moins de 0,10% en poids Cu: 0,10 à 0,50% en poids Ni: 0,10 à 0, 50% en poids Cr: 1,80 à 3,00% en poids N: pas plus de 0,02% en poids et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. La présente invention fournit également une tôle d'acier revêtue d'aluminium douée d'une excellente résistance à la corrosion vis-à-vis des gaz d'échappe- ment des moteurs à combustion interne, comprenant un substrat d'acier en tôle qui se compose essentiellement de: C: moins de 0,05% en poids Si: moins de 0,10% en poids Cu: 0,10 à 0,50% en poids Ni: 0,10 à 0,50% en poids Cr: 1,80 à 3,00 en poids N: pas plus de 0,02% en poids au moins l'un de Ti, Zr, Nb et V: pas moins d'une proportion-équivalente à C+N en atomes et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. Dans la description de la composition du subs- trat d'acier de la présente invention, on omet ci-après l'expression "en poids" applicable aux teneurs en éléments. C: s'il est contenu en plus grande proportion, il précipite sous forme de carbure dans les joints inter- granulaires et favorise ainsi une corrosion locale du substrat. Par conséquent, on préfère que la teneur en C soit inférieure. Autrement dit, la teneur en C est limitée à moins de 0,05%, de préférence à moins de 0, 03% et mieux encore à moins de 0,015%. Si: s'il est contenu en plus grande propor- tion, il forme des pailles insolubles (fayalite (FeO)2SiO2) pendant le laminage à chaud, et les pailles restent sous forme de taches après décapage et laminage à froid, ce qui crée des taches de non-mouillage dans l'étape d'application du revêtement d'aluminium. Ces taches de nonmouillage deviennent les points de départ de la corrosion. Par conséquent, on préfère que la teneur en Si soit inférieure. Autrement dit, la teneur en Si est limitée à moins de 0,1%, de préférence à moins de 0,08% et mieux encore à moins de 0,06%. Cu freine l'attaque de la tôle d'acier par le condensat de gaz d'échappement. En particulier, Cu est très efficace pour accroître la résistance à la 2- corrosion par S042. Cu doit être contenu en une pro- portion d'au moins 0,1% pour que son effet se manifeste. Par contre, une teneur en Cu dépassant 0,5% donne lieu à une fissuration due à une fragilité à chaud et à des pailles superficielles. De plus, l'aptitude de la tôle d'acier au façonnage est réduite par un durcissement causé par la précipitation de Cu. Par conséquent, la teneur en Cu est limitée à 0,1-0,5%, de préférence à 0,2-0,4% et mieux encore à 0,25-0,35%. Ni accroît la solubilité de Cu et améliore la résistance de l'acier à la corrosion, et il inhibe la fragilité à chaud engendrée par Cu. Il convient que Ni soit contenu en la même proportion que Cu, c'est-à- dire en une proportion de 0,1-0,5%, de préférence de 0,2-0,4% et mieux encore de 0,25-0,35%. Cr est un élément bien connu pour améliorer la résistance à la corrosion de l'acier en soi. Il est notamment efficace pour améliorer la résistance à Cl-, et il améliore synergiquement la résistance à la corro- sion par les gaz d'échappement en étant ajouté conjoin- tement à Cu.On ne peutescompter d'amélioration de la résistance à la corrosion si Cr est ajouté en une pro- portion inférieure à 1,8%. Si, en revanche, la teneur en Cr dépasse 3,0%, la mouillabilité de l'acier est réduite et des taches de non-mouillage se créent dans le revête- ment d'aluminium appliqué par trempage à chaud. Les taches de nonmouillage favorisent nne corrosion locale et, en conséquence, on n'obtient pas d'amélioration synergique de la résistance des tl81es d'acier à la cor- rosion. Par conséquent, la teneur en Cr est définie comme étant de 1,8-3,0%, et de préférence de 2,0-2,7%. Ti, Zr, Nb et V sont efficaces pour améliorer - l'aptitude au façonnage et la résistance à la chaleur de la tôle d'acier en soi. Certaines pièces des systèmes de traitement des gaz d'échappement peuvent s'échauffer jusqu'aux alentours de 600 C. Ainsi, une certaine résis- tance à la chaleur est requise des matériaux qui les constituent, en plus de la résistance à la corrosion par les gaz d'échappement. Ti, Zr, Nb et V, lorsqu'ils sont contenus dans l'acier, évitent l'apparition de fissures dans la couche d'alliage formée par diffusion mutuelle du Al de la couche de revêtement et du Fe de la t1le d'acier, et ils améliorent ainsi la résistance à la cor- rosion et la résistance à la chaleur. La fonction de ces éléments est de stabiliser C et N dans l'acier. Par conséquent, ils sont contenus en une proportion au moins équivalente en atomes à la proportion de (C+N). Cepen- dant, Ti, Zr, Nb et V sont des éléments coûteux et ils ne doivent donc pas être contenus en importantes propor- tions. Le substrat d'acier de la tôle d'acier revêtue d'aluminium de la présente invention peut contenir les impuretés inévitables suivantes: Mn: pas plus de 1,0% en poids P: pas plus de 0,05% en poids S: pas plus de 0, 05% en poids Ai: pas plus de 0,05% en poids (résidu de Ai utilisé comme désoxydant). N: pas plus de 0,02% en poids L'aluminium du revêtement peut être de l'alu- minium ou un alliage d'aluminium. Habituellement, on utilise un alliage d'aluminium contenant du silicium. L'application du revêtement d'aluminium peut être effec- tuée par n'importe quel procédé classique. La tôle d'acier revêtue d'aluminium par trem- page à chaud de la présente invention est utile pour fabriquer des éléments d'appareils de traitement des gaz d'échappement pour moteurs à combustion interne ainsi que des éléments d'appareils o sont brûlés des combustibles pétroliers. Des essais et exemples sont donnés ci-après pour illustrer la présente invention, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un graphique représentant la relation entre la teneur en Cr du substrat d'acier et la perte de poids par corrosion; et la figure 2 est un graphique représentant la relation entre la teneur en Cr du substrat d'acier et la profondeur maximale de corrosion. Partie expérimentale Préparation de tôles d'acier revêtues d'aluminium par trempage à chaud: On prépare plusieurs coulées d'acier de dif- férentes compositions par le procédé classique, et on prépare des tôles d'acier laminées à froid de 0,8 mm d'épaisseur par les opérations classiques de coulée continue, laminage à chaud, décapage et laminage à froid. La composition des aciers est comme suit: C: 0,008-0,015% Si: 0,03-0,08% Cu: non ajouté, 0,15-0,35% Ni: 0,33-0,35% Cr: non ajouté-5, 6% N: 0,001-0,005% Mn: 0,25-0,35% P: 0,01-0,015% S: 0,008-0,011% Ai: 0,03-0,05% On préchauffe les substrats d'acier en tôle à 750 C pendant 30 secondes dans une atmosphère de H2-N2 à 50/50 et on les revêt de Ai en les trempant dans un bain de Ai contenant 9,5% de Si à 660 C pendant 2 secondes dans la même atmosphère. Le taux d'applica- tion est de 80 g/m2 sur chaque face. Méthode d'essai: On découpe des disques de 60 mm de diamètre dans les tôles d'acier revêtues d'aluminium, et on les traite au moyen d'un appareil d'essai Erichsen. On utilise comme éprouvettes d'essai les disques ainsi déformés, c'est-à-dire les disques au centre desquels a été formé un hémisphère de 4 mm de profondeur. On effectue un essai de corrosion accéléré dans lequel est simulé le fait que le condensat de gaz d'échappement est alcalin lorsque le moteur est mis en route mais devient acide après avoir été évaporé et concentré. La solution d'essai simulé représente la composition d'un condensat alcalin typique. La composi- tion est comme suit: C3 2: 2000 ppm C3: HCO: 2000 ppm S4 2: 500 ppm S4: Ci-: 50 ppm HCHO: 12 ppm Carbone actif: 10 g/Z On ajuste la solution d'essai avec un sel d'ammonium de manière que son pH soit de 8,8. Par l'addition de carbone actif, on simule la condition réelle selon laquelle une grande quantité de noir de fumée est déposée sur la surface des éléments de traite- ment des gaz d'échappement. On plonge les éprouvettes d'essai dans cette solution d'essai pendant 3 minutes et on les retire de manière que l'hémisphère retienne la solution d'essai. On les garde ainsi dans un courant chaud à 80 C pendant 17 minutes, temps pendant lequel la solution retenue s'évapore complètement. On considère que le processus ci-dessus constitue un cycle, et on effectue 2000 cycles. On mesure la perte de poids (g) par corrosion et la profondeur maximale (mm) de corrosion des éprouvettes d'essai ayant subi 2000 cycles de traitement et on évalue la résistance à la corrosion. La relation entre la teneur en Cr et la perte de poids par corrosion est représentée sur la figure 1, et la relation entre la teneur en Cr et la profondeur maximale de corrosion est représentée sur la figure 2. Bien que les compositions de base à l'exclusion de Cr et Cu ne soient pas identiques dans plusieurs des éprouvettes d'essai, le comportement à la corrosion ne varie pas dans les limites entre lesquelles s'étendent les compositions telles qu'indiquées sur le Tableau 1. Par conséquent, on considère que les résultats rendent compte sans équivoque de l'effet de Cr. Comme il ressort des figures, les tôles d'acier revêtues d'aluminium par trempage à chaud, dont les substrats contiennent 1,8 à 3,0% de Cr et 0,15 à 0,35% de Cu, offrent une très bonne résistance aux gaz d'échappement d'automobile, comme cela se voit par le fait que la perte de poids par corrosion n'est pas supérieure à 3,0 g et la profondeur maximale de corro- sion n'est pas supérieure à 0,1 mm. Par contre, lorsque Cr est ajouté seul, la profondeur maximale de corrosion n'est pas réduite à mesure que s'accroit la teneur en Cr, bien que la perte de poids par corrosion soit réduite. Lorsque la teneur en Cr dépasse 3,0%, même si Cu est ajouté, la profondeur maximale de corrosion locale est grande. Il en est ainsi parce que des taches de non-mouillage créées dans l'application par trempage à chaud se corrodent localement. Ainsi, on voit que la tôle d'acier revêtue d'aluminium, dont le substrat contient 1,8 à 3,0 de Cr et 0,10 à 0,50% de Cu en association, manifeste un effet synergique de résistance à la corrosion résultant du fait que la couche de revêtement d'aluminium est saine et exempte de taches de nonmouillage et du fait que la composition du substrat d'acier est améliorée. Exemple On prépare des coulées d'acier ayant les compo- sitions indiquées sur le tableau 1 et on les transforme par des techniques classiques en tôles de 1,0 mm d'épais- seur servant de substrats. On préchauffe les t1ôles-substrats dans une atmosphère de H2-N2 à 75/25 à 740 C et les plonge dans un bain de revêtement de A1 contenant 7,2% de Si à 670 C pendant 2 secondes dans la même atmosphère afin d'obte- nir des tôles d'acier revêtues d'aluminium par trempage à chaud. On soumet les tôles d'acier revêtues ainsi obtenues au même essai de corrosion que décrit ci-dessus, excepté qu'on les chauffe à 600 C pendant 1 heure tous les 60 cycles jusqu'à l'accomplissement des 2000 cycles. On mesure la perte de poids (g) par corrosion et la profondeur maximale (mm) de corrosion des tôles d'acier ainsi traitées et on évalue la résistance à la corrosion. Les résultats sont indiqués sur le tableau 2. Les éprouvettes n 1 et 4 de la présente inven- tion, qui contiennent 1,8 à 3,0% deCr et 0,10 à 0,5% de Cu, offrent une bonne résistance à la corrosion lorsqu'on les chauffe à 600 C. Les éprouvettes n 2, 3 et 5, qui contiennent 1,8 à 3,0% de Cr, 0,10 à 0,5% de Cu et au moins l'un de Ti, Zr, V et Nb en une proportion équi- valente en atomes à la proportion de (C+N), offrent une résistance à la corrosion encore meilleure. En revanche, l'éprouvette n 10, une éprou- vette comparative qui contient plus de 3% de Cr, et l'éprouvette n 8, une éprouvette comparative qui contient plus de 1,0% de Si, développent une corrosion locale due à des taches de non-mouillage engendrées dans l'étape d'application du revêtement, et la qualité globale de résistance à la corrosion n'atteint pas le niveau de celle des produits de la présente invention. Tableau 1 % en poids C Si Cu Ni Cr Ti Zr V Nb Mn P S AI N Eprouvettes de l'invention 1 0,03 0,06 0,24 0,26 1,96 - - - - 0,23 0,011 0,011 0,021 0,0015 2 0,008 0,08 0,31 0,30 1,90 - 0,10 - 0,20 0,35 0,009 0,009 0,025 0,0020 3 0,010 0,09 0,40 0,43 1,93 - - 0,32 - 0,27 0,015 0,010 0,031 0,0018 4 0,04 0,05 0,21 0,24 2,85 - - - - 0,29 0,013 0,012 0,028 0,0030 0,005 0,06 0,37 0,33 2,73 0,15 - - - 0,31 0,009 0,008 0,020 0,0008 Eprouvettes comparatives 6 0,04 0,03 0,01 0,02 1,56 - - - - 0,22 0,011 0,011 0,035 0,0022 7 0,008 0,05 0,38 0,35 1,62 - 0,34 - - 0,39 0,010 0,010 0,022 0,0019 8 0,05 0,24 0,28 0,31 2,21 - - - - 0,30 0,016 0,013 0,030 0,0038 9 0,03 0,06 0,02 0,01 2,50 - - - - 0,26 0,012 0,011 0,026 0,0029 0,005 0,07 0,25 0,32 3,47 0,13 - - - 0,25 0,009 0,008 0,021 0,0010 o' r o o Tableau 2 Résultats au bout de 2000 cycles Perte de poids par Profondeur maximale corrosion de corrosion (g) (mm) Remarques Eprouvettes de l'invention i 3, 0 0,10 2 2,3 0,08 3 2,4 0,07 4 2,8 0,09 2,0 0,07 Eprouvettes Comparatives 6 11,5 0,33 7 4,2 0,13 8 5,7 0,28 Des taches de non-mouillage apparaissent 9 4,1 0,26 2,6 0,15 Des taches de non-mouillage apparaissent REVENDICATIONS 1. Tôle d'acier revêtue d'aluminium, caracté- risée en ce qu'elle comprend un substrat en tôle d'acier qui se compose essentiellement de: C: moins de 0,05% en poids Si: moins de 0,10% en poids -Cu: 0,10 à 0,50% en poids Ni: 0,10 à 0,50% en poids Cr: 1,80 à 3, 0J% en poids N: pas plus de 0,02% en poids et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 2. Tôle d'acier revêtue d'aluminium selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat en tôle d'acier se compose essentiellement de: C: moins de 0,03% en poids Si: moins de 0,08% en poids Cu: 0,20 à 0,40% en poids Ni: 0,20 à 0,40% en poids Cr: 2,00 à 2, 70% en poids N: pas plus de 0,02% en poids et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, et est revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 3. Tôle d'acier revêtue d'aluminium selon la revendication 2, caractérisée en ce que-le substrat en tôle d'acier se compose essentiellement de: C: moins de 0,15% en poids Si: moins de 0,06% en poids Cu: 0,25 à 0,35% en poids Ni: 0,25 à 0,35% en poids Cr: 2,00 à 2, 70% en poids N: pas plus de 0,02% en poids et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, et est revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 4. Tôle d'acier revêtue d'aluminium, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat en tôle d'acier qui se compose essentiellement de: C: moins de 0,05% en poids Si: moins de 0,10% en poids Cu: 0,10 à 0,50% en poids Ni: 0,10 à 0,50% en poids Cr: 1,80 à 3,00% en poids N: pas plus de 0,02% en poids au moins l'un de Ti, Zr, Nb et V: en une proportion au moins équivalente en atomes à la proportion de (C+N) et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 5. Tôle d'acier revêtue d'aluminium selon la revendication 4, caractérisée en ce que le substrat en tôle d'acier se compose essentiellement de: C: moins de 0,03% en poids Si: moins de 0,08% en poids Cu: 0,20 à 0,40% en poids Ni: 0,20 à 0,40% en poids Cr: 2,00 à 2-, 70% en poids N: pas plus de 0,02% en poids au moins l'un de Ti, Zr, Nb et V: en une proportion au moins équivalente en atomes à la proportion de (C+ N) et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, et est revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 6. Tôle d'acier revêtue d'aluminium selon la revendication 5, caractérisée en ce que le substrat en tôle d'acier se compose essentiellement de: C: moins de 0,15% en poids Si: moins de 0,06% en poids Cu: 0,25 à 0,35% en poids Ni: 0,25 à 0,35% en poids Cr: 2,00 à 2, 70% en poids N: pas plus de 0,02% en poids au moins l'un de Ti, Zr, Nb et V: en une proportion au moins équivalente en atomes à la proportion de (C+ N) et de Fe et d'impuretés fortuites inévitables, et est revêtu par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium.