Brevet FR2654117A1 — publié le 19910510

r L'invention a pour objet un procédé propre à conférer à un substrat métallique un revêtement protecteur à base de chrome hexavalent; elle vise également, et ce à titre de produits industriels nouveaux, le bain mis en oeuvre dans ce procédé et la forme commerciale des consti- tuants du bain. Les substrats métalliques destinés à être protégés contre la corrosion au moyen du susdit procédé sont cons- titués notamment par les pièces métalliques de petite taille et les dispositifs vissés par exemple en acier ou fonte. Il est connu (voir par exemple le brevet français No 2 008 770) de lutter efficacement et sans protection superficielle ultérieure, contre la corrosion des sub- strats métalliques, en leur faisant comporter des revête- ments obtenus, en général, à l'aide de bains comportant un métal pulvérulent, en particulier le zinc, de l'acide chromique en solution, un solvant organique comprenant, en général, un ou plusieurs alcools ou polyols comme par exemple le tertio-butanol, le dipropylèneglycol ou le diéthy- lèneglycol monoéthyl-éther, un agent mouillant et de l'eau. Du point de vue pratique, on applique au substrat à protéger un traitement comportant: 1 une étape de préparation, à savoir un dégraissage suivi éventuellement d'un décapage mécanique ou chimique, 2 une étape de mise en oeuvre par trempage ou aspersion d'un bain du genre décrit ci-dessus, suivi d'un égout- tage ou d'un essorage et 3 une étape de cuisson du substrat ainsi traité à tempé- rature généralement élevée, par exemple d'environ 3000 C. On obtient ainsi un revêtement monocouche; pour obtenir un revêtement multicouche, on répète le traitement autant de fois que nécessaire. Les susdits bains présentent un inconvénient important résidant dans le fait qu'ils sont instables. En effet, le fort caractère oxydant de l'acide chromique réduit la durée de vie du bain, les solvants utilisés étant oxydés, même à température ordinaire, au bout de quelques jours. La qualité du revêtement obtenu diminue par consé- quent rapidement avec l'âge du bain. L'invention a pour but, surtout, de remédier à cet inconvénient et de fournir un bain du genre en question dont la stabilité est améliorée et qui, par conséquent, permet une utilisation prolongée. Or, la Société Demanderesse a trouvé, à l'issue de recherches approfondies que, de façon surprenante et inat- tendue, il est possible d'augmenter de façon décisive la stabilité de bains du genre en question sans altérer leur efficacité dès lors que l'on a recours, en tant que sol- vant organique, à un solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition du type polaire aprotique et/ou du type cétonique. Par conséquent, le procédé conforme à l'invention propre à conférer un revêtement protecteur contre la corrosion, à base de chrome hexavalent, à un substrat métallique et qui comporte: une étape de préparation du substrat métallique par dégraissage, suivie éventuellement d'un décapage méca- nique ou chimique, une étape de traitement par trempage, aspersion ou au rouleau au moyen d'un bain propre à conférer au sub- strat métallique le revêtement protecteur recherché et une étape de cuisson à température élevée, est caractérisé par le fait que le susdit bain comporte au moins: un métal sous forme de particules, de l'acide chromique et/ou l'un de ses dérivés à titre d'agent oxydant, au moins un solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition choisi parmi ceux de type polaire apro- tique et de type cétonique, de l'eau. Le susdit bain, conforme à l'invention, comporte avantageusement un ou plusieurs agents tensio-actifs et un ou plusieurs additifs rhéologiques. Ce bain est établi par mélange de ses constituants au moment de son utilisation. Dans une forme commerciale, les constituants du bain sont regroupés en deux ou éventuellement trois ensem- bles, séparés les uns des autres, et mis sur le marché avantageusement sous la forme de ce qui est désigné dans le métier par l'expression "kit". Dans le cas o il y a deux ensembles, le premier comprendra l'acide chromique et/ou ses dérivés sous forme de poudre ou de solution concentrée alors que le deuxième comprendra, sous forme de dispersion ou de bouillie éven- tuellement concentrée, le métal sous forme de particules, le solvant organique hydrosoluble et éventuellement un ou plusieurs agents tensioactifs et un ou plusieurs additifs Théologiques, le premier et le deuxième ensemble étant disposés respectivement dans un premier et dans un deu- xième logement du kit. Dans le cas o il y a trois ensembles, le troi- sième est constitué par une partie ou par la totalité des agents tensioactifs et des additifs Théologiques et disposé dans un troisième logement du kit. Lorsque le susdit premier ensemble se présente sous la forme d'une solution concentrée, celle-ci con- tiendra avantageusement de 1 à 85 % en poids d'ion chrome hexavalent exprimé en chromate. De même, lorsque le deuxième ensemble se présente sous la forme d'une bouillie concentrée, celle-ci contien- dra avantageusement de 2 à 80 % en poids de particules métalliques en dispersion dans une partie du solvant organique, le troisième ensemble contenant les agents tensio-actifs et les additifs rhéologiques à raison de 1 à 70 % en poids dans une autre partie du solvant organique. Le métal sous forme de particules peut être choisi parmi les métaux, alliages ou mélanges de métaux ou allia- ges ayant un potentiel d'électrode normal négatif, de valeur absolue au moins égale à celle du métal à protéger. Dans la pratique, ledit métal est choisi dans le groupe comprenant le zinc, le fer, l'aluminium, le cad- mium, le magnésium, le manganèse et leurs alliages; le zinc, l'aluminium et leurs mélanges ou alliages sont par- ticulièrement préférés. La taille des particules de métal doit être com- patible avec l'épaisseur souhaitée pour le revêtement de protection. Elle est en général de 1 à 25 pim (cette dernière dimension correspondant à la longueur des lamelles lorsque le métal est sous forme lamellaire). De préférence, le bain conforme à l'invention se présente sous la forme d'une dispersion aqueuse de parti- cules métalliques comportant environ 5 à 40 % de métal. Le chrome hexavalent est apporté par l'acide chro- mique, ses sels de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ses sels de métaux de transition, son sel d'ammonium, l'anhydride chromique et, plus généralement, toute sub- stance capable de libérer des ions contenant du chrome hexavalent; il est présent dans le bain à raison d'environ 0,5 à 15 % en poids, exprimé en ions chromate. Le solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition du type cétonique et/ou du type polaire aprotique est présent dans le bain en une quantité telle que le rapport solvant/ion chromate soit compris entre 0,5 et 20. Les solvants du type cétonique entrant dans la constitution du bain conforme à l'invention comprennent ceux répondant à la formule I Ris Rl C = O (), R 2 dans laquelle les radicaux R 1 et R 2 représentent des groupes alcoyles linéaires ou ramifiés en C 1 à C 18, identiques ou différents, pouvant former un cycle entre eux, ainsi que certains dérivés polycétoniques ou du type lactone; les susdits dérivés cétoniques sont choisis parmi ceux répondant à la formule (I) et dont la solubilité dans l'eau est au moins égale à 5 % (P/P), dont le point éclair est supérieur ou égal à 50 C et dont le point d'ébullition est au moins égal à 100 C. Les solvants du type polaire aprotique entrant dans la constitution du bain conforme à l'invention sont, de préférence, constitués par les amides disubstituées de formule II 0 R 2 R 1 C N (II), R 3 dans laquelle les radicaux R 1, R 2 et R 3 représentent des groupes alcoyles linéaires ou ramifiés en C 1 à C 18, iden- tiques ou différents, et pouvant former un cycle entre eux. Selon un mode de réalisation avantageux du bain conforme à l'invention, le solvant hydrosoluble entrant dans sa constitution est choisi dans le groupe comprenant la cyclohexanone, l'hexane-dione-2,5, la gammabutyrolac- tone, le diméthyl formamide, le diméthyl acétamide, la N-méthyl-pyrrolidone. Les agents tensio-actifs éventuellement comportés par le bain mis en oeuvre conformément à l'invention peuvent être choisis parmi les agents tensio-actifs non ioniques comme les polyéthoxy-éthers d'alcoylphénol, d'alcool ou d'amine éventuellement substitués. Les additifs Théologiques éventuellement comportés par le bain mis en oeuvre conformément à l'invention peuvent être choisis parmi les agents épaississants tels que les celluloses éthérifiées ou estérifiées, les dérivés de xanthane, et les dérivés thixotropiques de la silice, de la montmorillonite ou de l'aluminium tels que le stéarate d'aluminium. Les substrats métalliques pouvant être traités conformément à l'invention sont ceux à base d'acier, de fonte et d'acier fritté utilisés dans les dispositifs de visserie, de boulonnerie et de petites pièces; ils peuvent également être constitués par des bandes d'acier. L'étape de traitement du substrat au moyen du bain conforme à l'invention peut être effectuée par trempage suivi d'égouttage, par aspersion, par trempage suivi d'une centrifugation pour des petites pièces de visserie, ou bien en ayant recours à des rouleaux lorsqu'il s'agit de traiter des bandes planes de métal. Une fois muni du revêtement protecteur qui com- prend les différents constituants du bain, le substrat est soumis à une étape de cuisson entre 100 et 3500 C pendant quelques minutes, notamment pendant 5 à 45 minutes afin de durcir le revêtement par évaporation des matières vola- tiles. En fonction de l'utilisation à laquelle le sub- strat métallique est destiné et en fonction de l'épaisseur désirée pour le revêtement protecteur, de dernier peut être mono ou multicouche Pour obtenir un revêtement multicouche, on répète autant de fois que nécessaire le susdit cycle de traitement qui pourra comprendre, dans le cas d'un substrat constitué par un article de visserie: un trempage dans le bain conforme à l'invention, un égouttage ou essorage, une cuisson à une température comprise entre 120 et 2000 C. Un traitement de cuisson final (à une température comprise entre 200 et 3500 C) sera utilisé en substitution de ou en complément à la dernière cuisson à température comprise entre 120 et 2000 C. L'épaisseur des revêtements obtenus conformément à l'invention est généralement comprise entre 1 et 15 pm. Les substrats soumis au traitement conforme à l'invention doivent être propres et aptes à recevoir le revêtement protecteur anticorrosion Selon leur degré de souillure, il y a lieu de les prétraiter par dégraissage alcalin et/ou solvanté, un rinçage et, si nécessaire, un décapage mécanique ou chimique. L'invention pourra être bien comprise à l'aide des exemples non limitatifs qui suivent et dans lesquels sont indiqués des modes de réalisation avantageux de l'inven- tion. EXEMPLE 1 On prépare un bain conforme à l'invention à partir d'un kit conforme à l'invention comprenant trois ensembles dont l'un, désigné par A, se présente sous la forme d'une bouillie contenant le métal, dont un autre, désigné par B, se présente sous la forme d'une solution apportant l'ion chrome et dont le troisième, désigné par C, comprend un agent rhéologique. L'ensemble A est constitué de 150 g de zinc lamel- laire (qualité référencée ECKA zinc MP 31 129/G et vendue par la Société ECKARTWERKE), de 15 g de nonylphénol à 10 moles d'oxyde d'éthylène (de marque CEMULSOL NP 10 commer- cialisé par RHONE-POULENC), de 150 g de diméthyl formamide et de 2 g d'hydroxyméthyl cellulose. L'ensemble B est constitué de 27,6 g d'acide chro- mique, de 17,4 g de chromate de magnésium et de 223 g d'eau. L'ensemble C, qui sert à ajuster la viscosité du mélange final, est constitué de 4 g d'hydroxyméthyl cellu- lose dans 581 g d'eau. Ces trois ensembles fournissent par mélange une quantité de 1170 g de bain prêt à l'emploi. EXEMPLE 2 (comparatif) On prépare une formulation classique par mélange des solutions A 1 et Bl (compositions indiquées ciaprès), ce qui donne 100 g de bain prêt à l'emploi. Composants de la solution A, Composants de la solution Bl Zinc lamellaire 20 g Eau 51,9 g Dipropylène glycol 10 g Acide chromique 3 g Acétate d'éthyl glycol 5 g Oxyde zinc 1 g White spirit 5 % aromat 5 g Acide borique g REMCOPAL 334 1 g Hydroxy éthyl REMCOPAL 349 1,6 g cellulose 0,5 g On a comparé le vieillissement de ce bain à celui selon l'exemple 1 sur une période de 10 jours en suivant l'évolution de la viscosité. Cette viscosité, exprimée en cps, a été mesurée dans le cas des deux bains les ler, 2 ème, 3 ème, 4 ème, 7 ème et 1 Mème jours. Les valeurs mesurées sont portées sur le graphique de la figure 1 qui représente l'évolution de la viscosité en cps en fonction du temps en jours. On obtient ainsi une courbe Cm pour le bain selon l'art antérieur et une courbe Cn pour le bain conforme à l'invention. L'examen de la figure 1 montre que la viscosité des deux bains évolue différemment: tandis que le bain selon l'exemple 2 se dégrade progressivement par suite d'une gélification à partir de deux jours, pour atteindre un maximum de viscosité au bout d'environ dix jours, le bain selon l'exemple 1, conforme à l'invention, conserve sa fluidité. Ces différences de comportement au vieillissement entraînent sur la qualité du revêtement obtenu des diffé- rences de performances dès lors que les revêtements ne sont pas réalisés immédiatement après la constitution du bain par mélange des solutions de départ. Pour mettre en évidence cette différence de per- formances entre les deux bains, on procède comme il va être exposé. tôles d'acier laminé à froid à 0,02 % de carbone ( 10 cm x 20 cm) de qualité automobile "ZES" sont munies d'un revêtement protecteur selon la procédure comportant les étapes suivantes: dégraissage avec une composition aqueuse alcaline clas- sique, en l'occurrence celle obtenue avec le produit commercialisé sous la marque RIDOLINE 1550 CF/2 par la Société Demanderesse et utilisée à 15 g/l à 600 C pendant minutes, rinçage froid courant à l'eau de ville et séchage à 800 C, application des bains selon les exemples 1 et 2, respec- tivement à la moitié des 10 susdites tôles par la mé- thode dite de la barre calibrée (on peut utiliser la barre calibrée N 03, par exemple celle commercialisée par la Société RK CHEMICALS Co grâce à laquelle on obtient un film humide d'une épaisseur de 24 pm), séchage 10 minutes à 1200 C, puis cuisson pendant 25 à 30 minutes à 3000 C. Le revêtement sec ainsi obtenu possède une épais- seur d'environ 3,5 à 4 pm. On soumet les tôles ainsi traitées à des tests d'adhérence et de résistance à la corrosion, ainsi qu'exposé ci-après. a) Test d'adhérence On pratique sur chaque tôle un embouti du type Erichsen lselon la norme PEUGEOT véhicules B 53 3240 ( 3 4 3)l d'une profondeur de 8 mm. On effectue sur le sommet de l'embouti un arrache- ment avec un ruban adhésif de référence 250, commercialisé par la Société 3 M. L'adhérence est d'autant meilleure que le décolle- ment du revêtement est superficiel. Lorsque le décollement est très superficiel, la bande de ruban adhésif présente un aspect gris clair noté "I. La notation 5 correspond à un revêtement dont aucune trace n'a été arrachée. Lorsque le revêtement est totalement arraché, le support étant visible, on applique la notation " 0 ". Les notations intermédiaires sont difficilement traduisibles et correspondent à l'aspect qui résulte des photographies correspondantes qui apparaissent sur la figure 2 en B" 0 " à B" 5 ". Lorsque le décollement de l'embouti est important, le test est effectué sur la surface plane non déformée. Les notations correspondantes de O (revêtement totalement arraché, support visible) à 5 (aucune trace arrachée) résultent de l'aspect du revêtement tel qu'il apparaît sur la figure 2 en A" 0 " à A" 5 ". Les tests d'adhérence ont été effectués avec des bains âgés de 1, 2, 3, 4, 7 et 10 jours correspondant à ceux utilisés pour la mesure de la viscosité du bain. Les notations pour chaque test sont réunis dans le tableau I. TABLEAU I Note enregistrée au test d'adhérence Age du _____________________ ______________________ bain Revêtement selon Revêtement selon (jours) l'exemple 1 l'exemple 2 1 4/5 3 2 4/5 2 3 4/5 2 4 4/5 2 7 4/5 2 4/5 1 il Il résulte de ce tableau que pour le bain selon l'exemple 1, la qualité de l'adhérence reste inchangée, même lorsque l'application est réalisée 10 jours après la préparation; au contraire, dans le cas du bain selon l'exemple comparatif 2, la qualité de l'adhérence se détériore dès le deuxième jour après préparation du bain. b) Résistance à la corrosion Dans le test de résistance à la corrosion, on mesure la quantité de rouille rouge produite en fonction de la durée d'exposition au brouillard salin selon norme NF T 41002. On a mesuré le degré de corrosion (exprimé en pourcentage de surface corrodée par rapport à la surface totale) après une exposition de 168 heures, puis de 400 heures au brouillard salin avec les bains des essais com- paratifs précédents âgés de 1, 2, 3, 4, 7 et 10 jours. Les résultats sont réunis dans le tableau II. TABLEAU II Bain selon l'ex 1 Bain selon l'ex 2 Age du bain Corrosion (en %) (jours) après 168 h après 400 h après 168 h après 400 h 1 O de O à 5 % O de 20 à 50 % 2 O de O à 5 % O de 20 à 50 % 3 O de O à 5 % O de 20 à 50 % 4 O de 5 à 20 % O de 20 à 50 % 7 O de 5 à 20 % O de 20 à 50 % 50 % > 50 % Il apparaît, à l'examen des chiffres réunis dans le tableau II, que la résistance à la corrosion est nette- ment améliorée grâce au bain conforme à 1 'invention dès lors que le bain utilisé pour l'obtention du revêtement n'a pas été préparé juste pour l'essai. De plus, on observe pour le bain selon l'exemple comparatif 2 la présence de rouille blanche bien avant -35 l'apparition de rouille rouge Ce phénomène est très nettement diminué, voire inexistant, avec le bain selon l'exemple 1. EXEMPLE 3 On prépare un bain identique à celui de l'exemple 1, en utilisant comme source de zinc de la poussière de zinc, par exemple la qualité Ultra Fine Spéciale commer- cialisée par VIEILLE MONTAGNE (diamètre des particules 23 pm) et en remplaçant poids pour poids le diméthylformamide par du diméthyl acétamide: Au test d'adhérence, le résultat correspond à la note 3/4. La tenue au brouillard salin est supérieure à 600 heures. EXEMPLE 4 On prépare un bain identique à celui de l'exemple 1, en utilisant comme source de zinc de la poussière de zinc identique à celle de l'exemple 2 et en remplaçant poids pour poids le diméthyl formamide par de la N- méthyl pyrrolidone. Au test d'adhérence, le résultat correspond à la note 3/4. La tenue au brouillard salin est supérieure à 800 heures. EXEMPLE 5 On prépare une solution A constituée de 150 g de poussière de zinc (qualité Ultra Fine Spéciale commercia- lisée par la Société VIEILLE MONTAGNE), 30 g de nonyl phénol à 10 moles d'oxyde d'éthylène (CEMULSOL NP 10 com- mercialisé par RHONE-POULENC), 60 g de cyclohexanone et 2 g d'hydroxyméthyl cellulose. Une solution B est constituée de 27,6 g d'acide chromique, de 17,4 g de chromate de magnésium et de 298 g d'eau. Une solution C est identique à celle décrite dans l'exemple 1 Les trois solutions mélangées fournissent 1170 g de bain prêt à l'emploi. Au test d'adhérence, le résultat correspond à la note 4/5. La tenue au brouillard salin est supérieure à 600 heures. EXEMPLE 6 On prépare un bain identique à celui de l'exemple 1 dans lequel une partie du zinc lamellaire (à savoir 30 g) est remplacée par de l'aluminium lamellaire ( 30 g). L'aluminium lamellaire utilisé est celui commercialisé sous la marque Chromal II par la Société ECKARTWERKE et dont la granulométrie est comparable à celle du zinc ( 18 em environ dans sa plus grande longueur). On réalise un revêtement sur visserie en deux applications comme décrit plus haut avec cuisson intermé- diaire à 1800 C. L'adhérence n'est pas mesurable par la méthode décrite dans l'exemple 1, un embouti n'étant pas réali- sable. La tenue au brouillard salin est supérieure à 500 heures. REVENDICATIONS 1 Procédé propre à conférer un revêtement protecteur contre la corrosion, à base de chrome hexa- valent, à un substrat métallique, ledit procédé qui comporte: une étape de préparation du substrat métallique par dégraissage, suivie éventuellement d'un décapage méca- nique ou chimique, une étape de traitement par trempage, aspersion ou au rouleau au moyen d'un bain propre à conférer au substrat métallique le revêtement protecteur recherché et une étape de cuisson à température élevée, étant caractérisé par le fait que le susdit bain comporte au moins: un métal sous forme de particules, de l'acide chromique et/ou l'un de ses dérivés à titre d'agent oxydant, au moins un solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition choisi parmi ceux de type polaire apro- tique et de type cétonique, de l'eau. 2 Bain propre à conférer un revêtement protec- teur contre la corrosion, à base de chrome hexavalent, à un substrat métallique et destiné à être mis en oeuvre dans le cadre du procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'il comporte au moins: un métal sous forme de particules, de l'acide chromique et/ou l'un de ses dérivés à titre d'agent oxydant, au moins un solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition choisi parmi ceux de type polaire apro- tique et de type cétonique, de l'eau. 3 Forme commerciale pour les constituants du bain selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend deux ensembles dont le premier comprend l'acide chromique et/ou ses dérivés sous forme de poudre ou de solution concentrée alors que le deuxième comprend, sous forme de dispersion ou de bouillie éventuellement concentrée, le métal sous forme de particules, le solvant organique hydrosoluble et éventuellement un ou plusieurs agents tensio-actifs et un ou plusieurs additifs rhéolo- giques, le premier et le deuxième ensemble étant disposés respectivement dans un premier et dans un deuxième loge- ment d'un kit. 4 Forme commerciale selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend un troisième ensemble constitué par une partie ou par la totalité des agents tensio-actifs et des additifs rhéologiques et disposé dans un troisième logement du kit. Bain selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le solvant hydrosoluble à haut point d'ébulli- tion du type cétonique et/ou du type polaire aprotique est présent en une quantité telle que le rapport solvant/ion chromate soit compris entre 0,5 et 20. 6 Bain selon l'une des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que le solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition de type cétonique répond à la formule I R C = O (I), R 2 dans laquelle les radicaux R 1 et R 2 représentent des groupes alcoyles linéaires ou ramifiés en C 1 à C 18, identiques ou différents, pouvant former un cycle entre eux, ainsi que certains dérivés polycétoniques ou du type lactone, lesdits solvants étant choisis parmi ceux dont la solubilité dans l'eau est au moins égale à 5 % (P/P), dont le point éclair est supérieur ou égal à 500 C et dont le point d'ébullition est au moins égal à 1000 C. 7 Bain selon l'une des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que le solvant hydrosoluble à haut point d'ébullition de type polaire aprotique répond à la formule II O R 2 Il RN/ (II), R 3 dans laquelle les radicaux R 1, R 2 et R 3 représentent des groupes alcoyles linéaires ou ramifiés en C 1 à C 18, iden- tiques ou différents, et pouvant former un cycle entre eux. 8 Bain selon l'une des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que le solvant hydrosoluble est choisi dans le groupe comprenant la cyclohexanone, l'hexane-dione-2,5, la gammabutyrolactone, le diméthyl formamide, le diméthyl acétamide, la N-méthyl-pyrrolidone. 9 Substrat métallique caractérisé par le fait qu'il comporte un revêtement anticorrosion obtenu par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1.