Brevet FR2671809A1 — publié le 19920724

- PROCEDE DE GALVANISATION EN CONTINU A HAUTE TEMPERATURE La présente invention concerne un procédé de galvanisation en continu à haute température, plus particulièrement destiné à la galvanisation des aciers à partir de bains de zinc ou d'alliages de zinc fondus. On connaît les techniques de galvanisation dites "au trempé" par lesquelles des produits métallurgiques, généralement en acier, sont immergés à façon dans des bains d'alliages métalliques fondus, normalement à base de zinc Lorsque les produits se présentent sous la forme de tôles ou de feuillards, on emploie plutôt un procédé de galvanisation en continu, toujours au trempé, ces derniers défilant à des vitesses plus ou moins grandes au travers de bains successifs de décapage, de fluxage, de galvanisation et éventuellement de refroidissement Ces techniques au trempé présentent l'inconvénient de nécessiter des installations très encombrantes et ne procurent pas toujours une qualité de revêtement suffisante pour certaines applications telles que l'emboutissage Par ailleurs, il est souvent obligatoire de faire subir aux produits métallurgiques mis en forme un retraitement thermique à haute température, du type d'un recuit, afin de leur redonner les qualités mécaniques intrinsèques qu'ils ont perdues au cours de leur forgeage. A cet égard, il est souhaitable que le recuit puisse se faire au cours de la galvanisation, l'élévation de température nécessaire au recuit étant exploitée pour conditionner le produit métallurgique traité d'une manière adaptée à son revêtement ultérieur par une couche protectrice de zinc. On connaît également un procédé de galvanisation en continu particulièrement adapté à l'obtention de couches protectrices de zinc de faible épaisseur sur des produits allongés continus ou discontinus Dans ce dernier procédé, les opérations de galvanisation consistent à activer par un grenaillage la réactivité de la surface des produits, qui sont ensuite chauffés rapidement par induction avant de passer dans une "bulle" de zinc en fusion o s'opère la 2- réaction métallurgique, le tout se déroulant sous atmosphère inerte légèrement réductrice; à leur sortie de cette "bulle" de zinc, les produits revêtus sont "essuyés" par des moyens susceptibles de supprimer l'épaisseur de zinc en excès, avant d'être enfin immédiatement refroidis, toujours sous une atmosphère neutre Ce procédé permet de traiter d'une manière très rapide des produits du type de fils de fer à béton, de cornières, voire de tôles, l'autre avantage de ce procédé étant l'économie qu'il permet de réaliser sur les consommations d'énergie et de zinc. Toutes les techniques de galvanisation précédemment mentionnées préconisent une température de traitement avoisinant les 4500 C, aussi bien pour les produits traités que pour le bain de zinc ou d'alliage de zinc en fusion. Or, une telle -température s'avère insuffisante au recuit de produits métallurgiques forgés, ces derniers devant alors subir un pré ou un post-traitement autonome. Par ailleurs, à la température de 4500 C choisie, le diagramme d'équilibre de l'alliage fer-zinc montre que le revêtement déposé par galvanisation présente, après refroidissement, une structure cristallographique complexe formée de plusieurs phases, connues sous les noms de "phase delta" et de "phase dzeta", la couche superficielle de zinc se trouvant, pour sa part, dans une phase cristallographique dite "eta" Les épaisseurs des couches de composés intermétalliques stables constituées par ces diverses phases dépendent bien entendu des cinétiques de galvanisation, notamment de la vitesse de refroidissement, un refroidissement rapide permettant d'éviter ou de modérer la diffusion thermique des phases entre elles qui est responsable de l'aspect grisâtre ou brun de certaines pièces galvanisées La présence de la phase intermétallique "dzeta" dont le réseau cristallin est monoclinique, avec une structure macroscopique arborescente peu plastique à l'interface de la couche superficielle de zinc pratiquement pur en phase "eta" et de la couche intermétallique "delta" dont le réseau cristallin est hexagonal, c'est- à-dire très régulier et 3 particulièrement compact diminue considérablement la tenue mécanique du revêtement A cet égard, les produits métallurgiques galvanisés au zinc devant être postérieurement emboutis nécessitent que cette phase "dzeta" soit supprimée, car elle est peu ductile -; il est alors courant, dans les techniques de galvanisation au "trempé", d'ajouter un pourcentage d'un autre élément chimique, par exemple de l'aluminium, dans l'alliage de zinc fondu, de manière à ce qu'il joue un rôle inhibiteur dans la formation de ladite phase "dzeta" au cours du cycle de galvanisation Il est à noter que cette même technique est employée dans le cas de la galvanisation de pièces métallurgiques à partir d'aluminium pour laquelle un apport d'un faible pourcentage de silicium permet de réduire la vitesse de formation de l'alliage aluminium- fer. L'objectif de la présente invention est de proposer une technique de galvanisation en continu, plus simple et plus économique que les techniques de galvanisation au trempé, permettant d'obtenir, en un seul traitement, un retraitement thermique de l'acier constitutif des produits métallurgiques traités et une qualité de revêtement bien adaptée à la mise en forme postérieure desdits produits, par exemple par emboutissage, tout en évitant de recourir à des inhibiteurs de formation des composés intermétalliques indésirables. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de galvanisation en continu à haute température, plus particulièrement destiné à la galvanisation de produits métallurgiques en acier à partir de bains de zinc ou d'alliages de zinc fondus, par lequel lesdits produits sont tout d'abord décapés par une action mécanique du type d'un grenaillage, puis chauffés par induction avant d'être introduits dans une enceinte contenant un bain de zinc ou d'alliage de zinc en fusion, procédé caractérisé en ce qu'au moins la température de surface desdits produits est comprise entre 5300 C et 5700 C, préférentiellement 5500 C, à l'entrée de ladite enceinte, la température du bain de 4 - zinc ou d'alliage de zinc en fusion étant maintenue à une température égale ou inférieure de moins de 300 C à la température de surface desdits produits. A cette température élevée, les objectifs de l'invention sont simultanément et parfaitement -remplis d'une manière très simple le chauffage par induction à une température supérieure de plus de 1000 C par rapport à celle qui est normalement employée pour la galvanisation au zinc permet d'améliorer très fortement le coefficient d'allongement des produits métallurgiques forgés par un laminage à froid, sans pour autant modifier sensiblement le coefficient d'allongement des produits métallurgiques forgés à chaud: on obtient donc, dans tous les cas, une amélioration conséquente de la plasticité des produits, ce qui est bien sûr très favorable à leur emboutissage éventuel De même, le module d'élasticité des produits métallurgiques forgés à chaud est augmenté dans des proportions importantes. seule la phase "delta" du composé intermétallique fer-zinc peut se former d'une manière stable à une telle température Après refroidissement des produits, la phase "dzeta" est donc absente sans recours à aucun inhibiteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le temps de passage des produits métallurgiques dans le bain de galvanisation à haute température doit être très court, par exemple inférieur à 5 secondes, les produits métallurgiques revêtus sortant de l'enceinte devant être refroidis d'environ 1000 C le plus rapidement possible, par exemple en moins d'une demie seconde. De cette façon, on a pu constater que, du fait qu'on stoppe très rapidement les phénomènes de diffusion qui sont d'origine principalement thermique, la couche intermétallique fer-zinc en phase "delta" présente une épaisseur inférieure à 10 microns, tandis que l'épaisseur de zinc pratiquement pur superficiel atteint de quelques microns à quelques dizaines de microns suivant le type "d'essuyage" employé à la sortie de l'enceinte de - galvanisation "l'essuyage" consiste à supprimer les surplus d'alliage de zinc non figé de la surface des produits traités; cet opération, qui se fait par gravité dans les technologies les plus anciennes, peut être forcée 5 par des moyens de soufflage gazeux ou par des moyens électromagnétiques) On est ainsi capable de contrôler parfaitement les épaisseurs des couches déposées et on sait, par exemple, déposer un revêtement présentant une couche intermétallique fer- zinc en phase "delta" d'épaisseur égale à 5 microns et une couche de zinc pur en phase "eta" allant de 10 à 30 microns Ce dernier cas est bien adapté aux applications du procédé de l'invention à l'emboutissage. Par ailleurs, on sait que la cinétique de la réaction métallurgique entre le fer et le zinc fondu dépend de manière exponentionnelle de la température de contact, suivant la loi bien connue d'Arrhenius; cette dernière loi permet de prévoir que la vitesse de formation du revêtement est multipliée par un facteur au moins égal à 30 (pour une énergie d'activation correspondant à des conditions expérimentales standard telles qu'elles seront données par la suite) lorsque la température passe de 4500 C à 5500 C Ce facteur élevé permet d'expliquer qu'il soit possible d'obtenir à haute température un revêtement d'épaisseur faible mais suffisante à la protection contre la corrosion en des temps très courts. Selon l'invention, le rapport entre les deux épaisseurs précédemment mentionnées (i e celle de la couche de zinc pur sur celle de la couche intermétallique) permet alors de définir une valeur limite, de l'ordre de 3, au-delà de laquelle la structure du revêtement, perpendiculairement à la surface des produits métallurgiques revêtus, est particulièrement favorable à leur transformation plastique à froid En particulier, dans le cas de l'emboutissage, la présence d'une majorité de zinc pratiquement pur en surface permet de réduire notablement les travaux à exercer pour mener à bien cette opération, puisque, en effet, le zinc pur s'avère 6 particulièrement ductile Un cas pratique courant est celui o ce rapport atteint une valeur égale à 6 environ. On donnera maintenant un exemple non limitatif de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention à la galvanisation de fils de fer à béton en acier Fe E 500, d'une longueur de 24 m et d'un diamètre de 8 mm, dont les références commerciales sont les suivantes: un fil lisse tréfilé et cranté à froid, dit Ech 1, un fil lisse laminé et cranté à froid, dit Ech 2, un fil lisse laminé et cranté à froid, dit Ech 3, un fil laminé et crénelé à chaud, en acier trempé au revenu, dit Ech 4, un fil laminé et crénelé à chaud, en acier microallié, dit Ech 5. Les essais ont consisté à faire défiler les fils de fer à béton, à une vitesse de 80 m/mm, dans une enceinte contenant un bain de zinc en fusion à une température de 560 'C environ après les avoir décalaminés par grenaillage, puis chauffés par induction à 550 'C environ, le tout sous atmosphère inerte légèrement réductrice, et enfin refroidis dans de l'eau ou dans de l'air en convection forcée à 250 C Ce refroidissement abaisse la température des fils très rapidement, puisqu'ils perdent 1000 C en 0,03 secondes dans l'eau et en 0,62 secondes dans l'air. Le tableau suivant répertorie les caractéristiques des fils traités à froid, avant et après traitement, ainsi que celles de leur revêtement: Ech 1 Ech 2 Ech 3 Agb en % 4,4 2 3,2 Agg en % 7 7,7 6 Etotale 55 40 40 Einter 5 5 5 avec Agb l'allongement uniformément réparti du fil brut de laminage, Agg l'allongement uniformément réparti - 7- du fil galvanisé selon le procédé conforme à l'invention, Etotale l'épaisseur totale du revêtement et Einter l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques Fe/Zn en phase "delta", ces deux épaisseurs étant données 5 en micromètres. Ainsi, par la seule application du procédé conforme à l'invention, un produit métallurgique forgé à froid, originellement non revêtu et présentant un coefficient d'allongement donné, devient, du fait de la structure du revêtement et de l'amélioration simultanée et conséquente de son allongement, parfaitement apte à être embouti. De même, on peut donner les caractéristiques des fils traités à chaud, avant et après traitement, ainsi que celles de leur revêtement: Ech 4 Ech 5 Reb(Mpa) 557 554 Reg(Mpa) 614 659 Etotale 35 40 Einter 5 5 avec Etotale et Einter comme définies précédemment, et Reb et Reg les modules d'élasticité des fils bruts de laminage et galvanisés respectivement Le gain sur le module d'élasticité Re est donc très élevé, ce qui est normal étant donné le retraitement thermique à haute température qu'on subit les fils traités lors de la galvanisation. 8 - REVENDICATIONS 1 Procédé de galvanisation en continu à haute température, plus particulièrement destiné à la galvanisation de produits métallurgiques en acier à partir de bains de zinc ou d'alliages de zinc fondus, par lequel lesdits produits sont tout d'abord décapés par une action mécanique du type d'un grenaillage, puis chauffés par induction avant d'être introduits dans une enceinte10 contenant un bain de zinc ou d'alliage de zinc en fusion, procédé caractérisé en ce qu'au moins la température de surface desdits produits est comprise entre 5300 C et 570 C à l'entrée de ladite enceinte, la température du bain de zinc ou d'alliage de zinc en fusion étant maintenue à une température égale ou inférieure de moins de 300 C à la température de surface desdits produits. 2 Procédé de galvanisation en continu à haute température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de surface des produits métallurgiques à l'entrée de l'enceinte de galvanisation est égale à 5500 C. 3 Procédé de galvanisation en continu à haute température selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le temps de passage des produits métallurgiques dans le bain de galvanisation à haute température est inférieur à 5 secondes, les produits métallurgiques revêtus sortant de l'enceinte étant refroidis d'environ 100 'C en moins de 0,5 seconde, par exemple dans de l'eau ou dans de l'air en convection forcée. 4 Produits métallurgiques susceptibles d'être revêtus par la mise en oeuvre du procédé de galvanisation en continu à haute température selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5 Produits métallurgiques selon la revendication 4, caractérisés en ce que le revêtement comporte une couche d'un composé intermétallique fer- zinc dans sa phase cristallographique hexagonale "delta", recouverte d'une 9 couche de zinc pratiquement pur dans sa phase cristallographique "eta". 6 Produits métallurgiques selon la revendication , caractérisés en ce que la couche intermétallique fer- zinc en phase "delta" présente une épaisseur inférieure à microns tandis que l'épaisseur de la couche de zinc pratiquement pur en phase "eta" est comprise entre 10 microns et quelques dizaines de microns. 7 Produits métallurgiques selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisés en ce que le rapport entre l'épaisseur de la couche de zinc pratiquement pur en phase "eta" et l'épaisseur de la couche intermétallique fer- zinc en phase "delta" est au moins égal à 3. 8 Produits métallurgiques selon la revendication 7, caractérisés en ce que le rapport entre l'épaisseur de la couche de zinc pratiquement pur en phase "eta" et l'épaisseur de la couche intermétallique fer- zinc en phase "delta" est égal à 6. 9 Utilisation des produits métallurgiques selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 aux transformations plastiques à froid du type de l'emboutissage.