Brevet FR2758571A1 — publié le 19980724

TOLE D'ACIER MUNIE D'UN REVETEMENT A BASE D'ALUMINIUM. La présente invention concerne le domaine des tôles revêtues. Elle a trait spécifiquement aux tôles munies d'un revêtement à base d'aluminium, dites tôles aluminiées. Ces tôles aluminiées sont particulièrement utilisées dans le domaine automobile pour réaliser des lignes d'échappement, des écrans thermiques destinées à isoler la caisse des lignes d'échappement, des réservoirs à carburant, ou des bras de suspension par exemple. Elles trouvent également leur utilisation dans le domaine du bâtiment dans la réalisation par exemple de portes coupe-feu, de conduits de fumées, d'inserts de cheminée, de gaines ou d'éléments de couverture. On utilise aussi les tôles aluminiées dans le domaine de l'électroménager pour la réalisation par exemple de grille-pains, de minifours, de friteuses, de chambre de combustion de chauffe-eau, de brûleurs. II est connu d'utiliser des tôles aluminiées constituées d'un substrat d'acier revêtu d'un alliage à base d'aluminium et de silicium. Une telle tôle aluminiée est réalisée par trempage d'une bande d'acier dans un bain en fusion contenant environ 90 % d'aluminium et 10 % de silicium, dans le but d'obtenir une couche de revêtement par exemple de 20 microns d'épaisseur. Après diffusion des atomes de fer du substrat dans la couche de revêtement, celui-ci présente une première couche fortement alliée en contact avec le substrat contenant en poids environ 45 % de fer, 53 % d'aluminium, 2 % de silicium, puis une couche intermédiaire contenant environ 32 % de fer, 58 % d'aluminium, 10 % de silicium, et enfin une couche externe contenant environ 90 % d'aluminium, 9 % de silicium et très peu de fer (moins de 3 %). A la résistance traditionnelle de l'acier du substrat, ce type de revêtement aluminium-silicium apporte une bonne tenue à l'oxydation à chaud, une bonne résistance à haute température et une bonne tenue à la corrosion, ce qui confère à ce type de tôle aluminiée une aptitude particulière à la réalisation de lignes d'échappement de véhicules automobile, d'écrans thermiques, et plus généralement de pièces soumises à des températures élevées. La couche fortement alliée contenant environ 45 % de fer étant très faible, de l'ordre du micromètre, et la couche intermédiaire contenant encore en moyenne 32 % de fer étant également faible, de l'ordre de 4 micromètres, cela permet d'obtenir une couche alliée de faible épaisseur, de l'ordre de 5 micromètres, ce qui confère à ce type de revêtement une bonne adhérence et autorise donc des emboutissages profonds. II est également connu d'utiliser des tôles aluminiées constituées d'un substrat d'acier revêtu d'un alliage d'aluminium. Une telle tôle aluminiée est réalisée par trempage d'une bande d'acier dans un bain en fusion d'aluminium, dans le but d'obtenir une couche de revêtement de l'ordre de 35 à 60 microns d'épaisseur. Après diffusion des atomes de fer du substrat dans la couche de revêtement, celui-ci présente une première couche fortement alliée en contact avec le substrat contenant en poids environ 42 % de fer, 58 % d'aluminium, puis une couche externe contenant environ 98 % d'aluminium et quasiment pas de fer (moins de 3 % présent sous forme de précipités Féal3, Fe2Al5 et Fe2A17). Ce type de tôle aluminiée présente une excellente résistance à la corrosion industrielle, urbaine et marine, une excellente résistance à la corrosion agressive des produits de combustion des hydrocarbures et à la corrosion en présence de chaleur. De plus, ce type de tôle aluminiée offre une très bonne réflectance au rayonnement (supérieure à 85 %), proche de celle d'une tôle en aluminium pur. Elle présente également une bonne résistance à la chaleur et au feu. Jusqu'à une température égale à 450 "C, le revêtement n'est pas altéré, et entre 450 et 600 "C, on assiste à une transformation visuelle de la couche de revêtement mais sans altération notable de son pouvoir de protection. Ce type de revêtement est parfaitement adapté pour la réalisation de toitures de bâtiments et pour les pièces de calorifugeage. Mais l'adhérence du revêtement est modeste du fait de l'importance de la couche fortement alliée, d'épaisseur généralement supérieure à 12 micromètres pour ce type de tôle aluminiée. C'est pour cette raison que la couche de revêtement est d'épaisseur importante, entre 35 et 60 micromètres habituellement afin de garantir la présence d'une couche non alliée suffisante. Du fait de ce problème d'adhérence, il est impossible de réaliser des emboutissages profonds sur ce type de tôle aluminiée sans altérer le revêtement, et en cas de pliage d'une telle tôle, il convient de respecter certaines précautions notamment en terme de rayons de courbure afin d'éviter de dégrader le revêtement. En effet, en cas d'emboutissage ou de pliage en conditions sévères, on crée des fissures dans la couche fortement alliée, entraînant fissuration, chevauchement et décohésion du revêtement. Ainsi la technique connue propose soit une tôle aluminiée présentant une très bonne tenue à la corrosion, et de très bonnes propriétés réflectives, proches de celles des tôles en aluminium pur, mais peu formables, soit une tôle aluminiée autorisant des emboutissages profonds, mais présentant une moins bonne tenue à la corrosion et de moins bonnes propriétés réflectives. La présente invention a pour but de proposer une tôle aluminiée présentant à la fois une trés bonne tenue à la corrosion, une très bonne tenue à l'oxydation à chaud, de très bonnes propriétés réflectives proches de celles des tôles en aluminium pur, autorisant des emboutissages profonds. L'invention a pour objet une tôle d'acier revêtue constituée d'un substrat en acier muni sur ses deux faces d'un revêtement à base d'aluminium, caractérisé en ce que le revêtement est un revêtement constitué de deux couches superposées: - une couche interne en contact avec le substrat comprenant en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; - une couche externe comprenant en poids entre 95 et 98 % d'aluminium et moins de 4 % de fer. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la couche interne comprend en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer, et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le titane, le béryllium, le manganèse, - I'épaisseur de la couche interne est comprise entre 2 et 7 micromètres - la couche externe comprend en poids entre 95 et 98 % d'aluminium, moins de 4 % de fer et moins de 2% d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; - I'épaisseur de la couche externe est comprise entre 5 et 50 micromètres. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle tôle d'acier revêtue, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois étapes: - une première étape dans laquelle, dans le but de former une couche interne alliée contenant en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, on trempe une tôle d'acier dans un bain en fusion contenant entre 88 et 95 % d'aluminium et entre 7 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; - une seconde étape dans laquelle on effectue un essorage de la tôle pour éliminer la partie superficielle de revêtement non allié et ne conserver qu'une couche interne alliée d'épaisseur comprise entre 2 et 7 micromètres; - une troisième étape dans laquelle on trempe la tôle dans un bain d'aluminium en fusion. L'invention concerne aussi un autre procédé de fabrication d'une telle tôle d'acier revêtue, caractérisé en ce que: - on effectue un recuit d'une bande d'acier sous atmosphére non oxydante contenant des atomes, sous forme gazeuse, d'un ou plusieurs éléments dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, de manière à former une couche interne; - puis on trempe la bande dans un bain d'aluminium en fusion. Selon d'autres caractéristiques: - l'atmosphère non oxydante dans laquelle la bande est recuite contient un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le titane, le béryllium, le manganèse, sous forme gazeuse; - l'atmosphère non oxydante dans laquelle la bande est recuite contient du silane. Les caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la suite de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une tôle aluminiée selon l'invention, - la figure 2 est un graphique représentant les facteurs de diamètre des principaux éléments, - la figure 3 est une vue schématique d'une installation permettant de mettre en oeuvre un premier procédé de fabrication d'une tôle aluminiée selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'une installation permettant de mettre en oeuvre un second procédé de fabrication d'une tôle aluminiée selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique d'une autre installation permettant de mettre en oeuvre le second procédé de fabrication d'une tôle aluminiée selon l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, la tôle d'acier aluminiée selon l'invention est constituée d'un substrat 1 en acier revêtu de deux couches d'un revêtement distinct. La première couche interne 2 en contact avec le substrat 1 comprend, en poids, entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %. Ces éléments sont identifiés sur la figure 2 entre les deux droites en tirets qui indiquent les limites entre lesquelles la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure à 15 %, selon la classification de Hume-Rothery. Ces éléments sont le béryllium, le silicium, le phosphore, le vanadium, le chrome, le manganèse, le cobalt, le nickel, le cuivre, le zinc, le germanium, I'arsenic, le molybdène, le ruthénium, le rhodium, le palladium, I'étain, le tungstène, le rhénium, I'iridium, le platine, le titane, le niobium, I'argent, I'antimoine, et l'or. La seconde couche externe 3 comprend en poids entre 95 et 98 % d'aluminium et moins de 4 % de fer. Cette seconde couche externe 3 peut également comprendre moins de 2% d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, par exemple le béryllium, le silicium, le phosphore, le vanadium, le chrome, le manganèse, le cobalt, le nickel, le cuivre, le zinc, le germanium, I'arsenic, le molybdène, le ruthénium, le rhodium, le palladium, I'étain, le tungstène, le rhénium, I'iridium, le platine, le titane, le niobium, I'argent, I'antimoine, ou l'or. La première couche interne 2 présente une épaisseur faible, entre 2 et 7 micromètres, afin de préserver les qualités d'adhérence du revêtement et la seconde couche 3 peut être comprise entre 5 et 50 micromètres selon l'épaisseur totale de revêtement désiré. De préférence, I'épaisseur de la couche 2 est inférieure ou égale à 5 micromètres. Le ou les éléments dont le diamètre atomique est telle que la différence relative de diamètre atomique de chacun de ces éléments avec un atome de fer est inférieure à 15 %, contenus dans la couche 2 en contact avec le substrat, permettent de limiter le phénomène d'alliation entre cette couche de revêtement et le substrat. En effet, les éléments dont le diamètre atomique est supérieur à celui du fer ont des difficultés à se déloger et ainsi bloquent la migration des atomes de fer. En revanche, les éléments dont le diamètre atomique est inférieur à celui du fer peuvent plus facilement se déloger, mais la place libre laissée est insuffisante pour un atome de fer ou un atome d'aluminium. Dans la pratique, on choisira de manière préférentielle les éléments exempts de toxicité et les éléments de plus faible coût. Ainsi, I'utilisation de l'arsenic, de l'argent, I'or ou le platine, bien que permettant de limiter le phénomène d'alliation, ne seront que très rarement utilisés. De plus, selon le type d'acier du substrat, on évitera les éléments qui auront tendance à se combiner avec des constituants de l'acier comme par exemple le niobium qui a tendance à piéger le carbone contenu dans l'acier. De préférence, on utilisera un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le titane, le béryllium et le manganèse. Un premier procédé pour fabriquer une tôle aluminiée selon l'invention consiste à effectuer un recuit d'une bande d'acier sous atmosphère non oxydante contenant des atomes, sous forme gazeuse, d'un ou plusieurs éléments dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, puis à tremper la bande dans un bain d'aluminium en fusion. Comme on peut le voir sur la figure 3, une bande 4 en acier défile en continu dans une enceinte de recuit 5 dans laquelle on a pris soin de faire régner une atmosphère non oxydante. Au cours du recuit, on introduit dans l'atmosphère de l'enceinte de recuit un ou plusieurs éléments dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %. II est très important que la forme gazeuse sous laquelle ces éléments sont introduits dans l'enceinte de recuit soit une forme non oxydante. Par exemple dans le cas du silicium, on introduit les atomes de silicium sous forme de silane Six4. A la sortie de l'enceinte de recuit, la bande est maintenue dans une atmosphère non oxydante dans une goulotte 6 jusqu'à ce qu'elle soit trempée dans un bain 7 d'aluminium en fusion. Dans l'enceinte de recuit 5 et dans la goulotte 6, I'atmosphère non oxydante est composée par exemple d'un mélange d'azote et d'hydrogène, et la température de la bande est amenée à une valeur voisine de la température du bain 7, de préférence comprise entre 660"C et 730"C. L'azote utilisé pour constituer l'atmosphère non oxydante contient de préférence moins de 5 ppm d'oxygène et a un point de rosée inférieur à -60 C. Lorsque la bande 4 est réchauffée dans l'enceinte de recuit, ses faces principales se chargent des atomes de l'élément ou des éléments introduits dans ladite enceinte. A la sortie du bain d'aluminium en fusion, les deux faces revêtues de la bande 4 sont essorées par un gaz soufflé à travers les buses d'essorage 8, et la bande est évacuée et débitée en tôles. Ce procédé permet de réaliser le revêtement bi-couches selon l'invention en trempant la bande dans un seul bain en fusion, constitué uniquement d'aluminium. La première couche interne 2 est réalisée grâce à l'apport de ou des éléments introduits dans l'enceinte de recuit. Un second procédé pour fabriquer une tôle aluminiée selon l'invention consiste à déposer les deux couches interne 2 et externe 3 séparément. La bande est d'abord trempée dans un bain en fusion contenant un alliage à base d'aluminium contenant entre 88 et 95 % d'aluminium et entre 7 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, de préférence le silicium, le titane, le béryllium, le manganèse, dans le but de former une couche interne alliée contenant en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %. Ensuite, la bande est essorée pour éliminer la partie superficielle de revêtement non allié et ne conserver qu'une couche contenant entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer, et entre 3 et 12 % du ou des éléments d'addition, d'épaisseur comprise entre 3 et 7 micromètres. Enfin, la bande est trempée dans un bain d'aluminium en fusion. Avant de tremper la bande dans le premier bain, la bande subit avantageusement un recuit sous atmosphère non oxydante pour amener sa température à une valeur voisine de la température du bain. Ce procédé présente l'avantage de parfaitement contrôler l'épaisseur de la première couche de revêtement 2. L'installation illustrée sur la figure 4 permet de mettre en oeuvre ce procédé. La bande 4 en acier pénètre dans une enceinte de recuit 5 dans laquelle l'atmosphère est non oxydante, et est déviée par un rouleau 9 pour traverser une goulotte 6 et pour plonger dans un bain 10 de métal de revêtement, par exemple un bain contenant entre 88 et 95 % d'aluminium et entre 7 et 12 % de silicium. Ensuite, après être déviée par un rouleau Il disposé dans le bain 10, la bande 4 ressort du bain 10 et est essorée par du gaz soufflé à travers les buses 8. Cette opération d'essorage permet d'éliminer la partie de la couche de revêtement déposé sur la bande non alliée. La bande comporte alors une première couche de revêtement 2, d'épaisseur comprise entre 3 et 7 micromètres, de préférence égale à 5 micromètres. La bande 4 pénètre alors immédiatement dans un 12 bain d'aluminium en fusion. II est très important de faire pénétrer la bande dans le bain 12 immédiatement après son essorage pour éviter toute oxydation. Dans l'exemple de réalisation représenté, la bande 4 traverse verticalement le bain 10 puis est évacuée après avoir subie éventuellement une nouvelle opération d'essorage par exemple par du gaz soufflé à travers les buses 8. L'installation illustrée sur la figure 5 permet également de mettre en oeuvre ce procédé. Dans cette installation, la bande 4 ressort du bain 10, est essorée par du gaz soufflé à travers les buses 8. Ensuite, après être déviée au moyen d'un rouleau 13, elle plonge dans un bain 14 d'aluminium en fusion, dans lequel elle est à nouveau déviée au moyen d'un rouleau 15, disposé dans le fond du bain 14, puis la bande ressort du bain 14 et subit une nouvelle opération d'essarage par du gaz soufflé à travers les buses 8. Eventuellement, si le trajet de la bande entre les buses d'essorage 8 et le second bain 14 est long, on protège la bande en disposant une goulotte 16 entre lesdites buses d'essorage et le second bain, dans laquelle on maintien une atmosphère non oxydante. La tôle d'acier aluminiée selon l'invention offre une très bonne réflectance au rayonnement (supérieur à 85 %), proche de celle d'une tôle en aluminium pur, une bonne résistance à la chaleur et au feu. Elle autorise des emboutissages profonds car la couche alliée 2 est d'épaisseur très faible et fait barrière à la diffusion des atomes d'aluminium de la couche externe 3 vers le substrat 1 et à la diffusion des atomes de fer du substrat 1 vers la couche externe 3. REVENDICATIONS 1 - Tôle d'acier revêtue constituée d'un substrat en acier muni sur ses deux faces d'un revêtement à base d'aluminium, caractérisé en ce que le revêtement est constitué de deux couches superposées: - une couche interne (2) en contact avec le substrat comprenant en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; - une couche externe (3) comprenant en poids entre 95 et 98 % d'aluminium et moins de 4 % de fer. 2 - Tôle d'acier revêtue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche interne (2) comprend en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer, et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le titane, le béryllium, le manganèse. 3 - Tôle d'acier revêtue selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche interne (2) est comprise entre 2 et 7 micromètres. 4 - Tôle d'acier revêtue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche externe (3) comprend en poids entre 95 et 98 % d'aluminium, moins de 4 % de fer et moins de 2% d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; 5 - Tôle d'acier revêtue selon les revendications 1 ou 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche externe (3) est comprise entre 5 et 50 micromètres. 6 - Procédé de fabrication d'une tôle d'acier revêtue sur ses deux faces principales d'un revêtement à base d'aluminium selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois étapes: - une première étape dans laquelle, dans le but de former une couche interne alliée contenant en poids entre 40 et 65 % d'aluminium, entre 30 et 50 % de fer et entre 3 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 % ,on trempe une tôle d'acier dans un bain en fusion contenant entre 88 et 95 % d'aluminium et entre 7 et 12 % d'un ou plusieurs éléments choisis parmi ceux dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %; - une seconde étape dans laquelle on effectue un essorage de la tôle pour éliminer la partie superficielle de revêtement non allié et ne conserver qu'une couche interne alliée d'épaisseur comprise entre 3 et 7 micromètres; - une troisième étape dans laquelle on trempe la tôle dans un bain d'aluminium en fusion. 7 procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que préalablement à la première étape, on effectue un recuit de la bande d'acier dans une atmosphère non oxydante. 8 - Procédé de fabrication d'une tôle d'acier revêtue sur ses deux faces principales d'un revêtement à base d'aluminium selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - on effectue un recuit d'une bande d'acier sous atmosphère non oxydante contenant des atomes, sous forme gazeuse, d'un ou plusieurs éléments dont la différence relative de diamètre atomique avec un atome de fer est inférieure ou égale à 15 %, de manière à former une couche interne; - puis on trempe la bande dans un bain d'aluminium en fusion. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'atmosphère non oxydante dans laquelle la bande est recuite contient un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le titane, le béryllium, le manganèse, sous forme gazeuse. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'atmosphère non oxydante dans laquelle la bande est recuite contient du silane.