Brevet FR2790010A1 — publié le 20000825

Procédé d'aluminiage d'acier permettant d'obtenir une couche d'alliage interfaciale de faible épaisseur. L'invention concerne un procédé d'aluminiage d'acier comprenant une étape de trempage de la pièce d'acier à revêtir dans un bain liquide contenant essentiellement de l'aluminium. Lorsqu'on utilise ce procédé par trempage, le revêtement qu'on obtient sur l'acier est généralement stratifié en plusieurs couches, dont notamment: - une couche interfaciale ou interne, au contact de l'acier, essentiellement composée d'un ou plusieurs alliages à base d'aluminium du bain et de fer de I'acier; on l'appelle également couche alliée; - et une couche externe, généralement plus épaisse, comprenant essentiellement une phase principale à base d'aluminium. La couche interne d'alliage ayant un comportement fragile, on cherche généralement à limiter son épaisseur. Pour limiter l'épaisseur de cette couche d'alliage, on utilise généralement des bains de trempage contenant un inhibiteur d'alliation entre l'aluminium et l'acier. Le silicium est l'inhibiteur d'alliation le plus couramment utilisé pour être efficace, sa concentration pondérale dans le bain de trempage est généralement comprise entre 3 et 13%. Dans les procédés d'aluminiage en continu, les bains de trempage sont saturés en fer, du fait de la dissolution de l'acier dans le bain; cette saturation conduit à la formation bien connue de mattes; le bain liquide est alors en équilibre avec la phase solide de ces mattes. Dans les conditions habituelles d'aluminiage, les deux couches principales déjà citées qui forment le revêtement aluminié peuvent alors être décrites plus précisément: - la couche interfaciale alliée est essentiellement composée d'une phase dite T5 et/ou d'une phase dite T6; selon les conditions d'aluminiage, elle peut se subdiviser en plusieurs sous-couches alliées, notamment dans le cas de l'invention exposée ci-après. -la couche externe est essentiellement composée d'aluminium sous forme de larges dendrites; ces dendrites sont saturées en fer, et, le cas échéant, en silicium en solution solide. La phase -r5 a une structure hexagonale et cristallise donc sous forme de grains globulaires; elle est parfois appelée acH ou H; la teneur en fer de cette phase est généralement comprise entre 29 et 36% en poids; la teneur en silicium de cette phase est généralement comprise entre 6 et 12% en poids; le solde se compose essentiellement d'aluminium; la composition chimique correspond approximativement à la formule Fe3Si2AI12. La phase T6 a une structure monoclinique et cristallise donc sous forme de grains plats et allongés; elle est parfois appelée 3 ou M; la teneur en fer de cette phase est généralement comprise entre 26 et 29% en poids; la teneur en silicium de cette phase est généralement comprise entre 13 et 16% en poids le solde se compose essentiellement d'aluminium; la composition chimique correspond approximativement à la formule Fe2Si2AI9. La figure 1 représente en trois dimensions, dans une partie du diagramme ternaire AI-Si-Fe, les variations - axe vertical - de la température d'équilibre d'une phase liquide avec différentes phases solides dénommées comme suit: FeAI3 - 0, Fe3Si2AI12 - r5, Fe2Si2Al9 - '6, FeSiAI3 -c2, FeSi2AI4 -, AI aluminium, Si _ silicium, et d'autres phases moins importantes comme T3, '4. La phase 0 joue un rôle important dans l'invention présentée ci-après; sa structure est monoclinique; elle peut contenir jusqu'à 6% en poids de silicium en solution solide; la composition chimique correspond donc approximativement à la formule FeAI3. Sur la figure 1, Si = 0% et Fe = 0% signifie AI = 100%; cette figure permet donc d'établir la nature des phases solides qui sont susceptibles d'être en équilibre avec un bain d'aluminiage à l'état liquide, en fonction de la composition de ce bain, et de connaître la température de ce bain à l'équilibre. La figure 2 est une projection de la figure 1; on déduit approximativement la température d'équilibre liquide-solide à l'aide des courbes isothermes l'intervalle de température entre chaque courbe est de 20 C. Le tableau I récapitule la composition possible des phases 0, -c5 et x6. Tableau I - Composition du bain et des principales phases obtenues après solidification du revêtement d'aluminium Composition: AI Si Fe % massique Bain >86% 3 à 13% saturation (ex.: 39%) Eutectique 87 12,2 O, 8 Phase -6 55 à 61 13 à 16 26 à 29 Phase T5 55 à 62 6 à 12 29 à 36 Phase 0 52à64 0 à6% 36à42 On a fait figurer sur ce tableau I I'eutectique AI-Si-Fe dont la température de fusion est de 578 C. La couche interne interfaciale du revêtement à base d'aluminium est donc fragile; elle a donc tendance à se fissurer lors de la mise en forme des pièces aluminiées, notamment des tôles; ces fissurations entraînent une diminution de la protection contre la corrosion apportée par le revêtement; pour obtenir des revêtements aluminiés plus résistants à la fois à la mise en forme et à la corrosion, on cherche donc à limiter l'épaisseur de cette couche interfaciale. L'invention a donc pour but, dans un procédé d'aluminiage de ce type, de limiter l'épaisseur de la couche interfaciale. Selon l'art antérieur, pour parvenir à ce but, on procède classiquement en respectant les deux conditions suivantes: 1- tremper la pièce d'acier à revêtir à une température aussi basse que possible, de manière à limiter la croissance de la couche d'alliage interfacial; 2- utiliser un bain liquide d'aluminiage dont la composition correspond, à l'équilibre liquide-solide, au domaine d'existence des phases solides T6 ou T5. La condition 2 conduit à utiliser des bains dont la teneur en silicium est supérieure à 7,5%, de préférence de l'ordre de 9% (voir figure 1 et 2). Ainsi, selon le document EP 0 760 399 (NISSHIN STEEL) et plus particulièrement selon le document JP 4 176 854 - A (NIPPON STEEL), dans une procédé d'aluminiage en continu de bande d'acier, il est conseillé d'immerger la bande à une température inférieure à la température moyenne du bain: ainsi, pour un bain contenant 9% de silicium dont la température est en général comprise entre 650 et 680 C, la température d'immersion de la bande sera au maximum de 640 C. Le demandeur a déterminé des conditions différentes de celles de l'art antérieur qui permettent d'aboutir à une épaisseur sensiblement plus faible de couche interfaciale et qui vont à l'encontre des présupposés sous-jacents aux procédés classiques de l'art antérieur. Dans le but d'obtenir une épaisseur de couche interfaciale encore plus faible pour que le revêtement aluminié résiste mieux à la fois à la corrosion et à la fissuration, l'invention a pour objet un procédé d'aluminiage d'une pièce d'acier comprenant une étape dans laquelle on trempe la pièce dans un bain liquide à base d'aluminium, caractérisé en ce que la composition et la température moyenne de ce bain d'une part, la température d'immersion de cette pièce dans le bain d'autre part, sont adaptées pour obtenir, dans la zone d'immersion de cette pièce, une température et une composition locales de bain permettant un équilibre avec la phase solide dite 0 dont la composition correspond approximativement à la formule chimique FeAI3. L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la composition et la température moyenne de ce bain sont adaptées pour être en équilibre avec la phase dite '5 ou la phase dite T6, de préférence avec la phase T6. - ce bain liquide est saturé en fer. - la température d'immersion de cette pièce est supérieure à la température du bain. - si la teneur en silicium dans le bain est de 8%, ladite température d'immersion est comprise entre 700 et 740 C, de préférence égale à environ 720 C. - si la teneur en silicium dans le bain est de 9%, ladite température d'immersion est comprise entre 720 et 765 C, de préférence égale à environ 730 C. - si la teneur en silicium dans le bain est de 9,5%, ladite température d'immersion est comprise entre 740 et 760 C, de préférence égale à environ 740 C. L'invention a également pour objet une tôle d'acier aluminiée dont le revêtement aluminié comprend une couche d'alliage AI-Fe-Si et une couche superficielle d'aluminium, susceptible d'être obtenue par le procédé selon I'invention, caractérisé en ce que ladite couche d'alliage comprend, au contact du substrat d'acier, une sous-couche composée essentiellement de phase 0. De préférence, I'épaisseur de cette couche alliée est inférieure ou égale à 3 gm. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 représente, en trois dimensions, dans une partie du diagramme ternaire AI-Si-Fe, les variations - axe vertical gradué en C - de la température d'équilibre d'une phase liquide avec différentes phases solides d'aluminium, de silicium ou d'alliages AI-Si-Fe; sur les axes horizontaux, sont reportés le pourcentage pondérai en Si d'une part (de 0 à 40%), et le pourcentage pondérai en Fe d'autre part (de 0 à 30%), le complément du ternaire étant de l'aluminium. - la figure 2 est une projection de la figure 1, o les températures d'équilibre liquide-solide sont représentées à l'aide de courbes isothermes distantes de 20 C; I'axe horizontal représente le pourcentage pondéral en silicium (" weight percentage silicon " en langue anglaise) gradué de 0 à 20%, l'axe oblique gauche représente le pourcentage pondérai en fer (" weight percentage iron" en langue anglaise) gradué de 0 à 14%, le complément du ternaire étant de l'aluminium (AI). On va maintenant décrire le procédé d'aluminiage selon l'invention dans le cadre du revêtement en continu d'une bande d'acier. L'installation d'aluminiage comporte d'une manière classique des moyens de nettoyage, des moyens de recuit, des moyens de trempage dans un bain d'aluminiage, des moyens d'essorage de la couche à base d'aluminium entraînée par la bande à la sortie du bain, des moyens de refroidissement et des moyens pour faire défiler la bande en continu dans l'installation. Pour procéder à l'aluminiage, on utilise, comme dans l'art antérieur, un bain dont la composition correspond au domaine d'existence de la phase T6 ou -c5 (condition 2 ci-dessus). Selon l'invention, la température de la bande au moment o elle rentre dans le bain, ou température d'immersion de la bande, est supérieure à la température moyenne du bain. Comme la bande pénètre alors dans le bain à une température supérieure à celle de l'équilibre avec la phase -c6 ou -15, elle provoque un échauffement local du bain dans la zone d'immersion de la bande; cet échauffement local entraîne une dissolution de ferrite superficielle de la bande et un enrichissement en fer de la zone d'immersion. Selon l'invention, la température et l'enrichissement en fer de la zone d'immersion doivent être suffisamment élevées pour que, dans cette zone, la phase solide susceptible d'être en équilibre avec la phase liquide corresponde à la phase 0 -_ FeAI3; de la sorte, dans la zone d'immersion, la première sous- couche solide se déposant sur la bande d'acier correspond à la phase FeAI3 - O. En poursuivant sa progression dans le bain après la zone d'immersion, la bande se refroidit jusqu'à la température moyenne du bain qui correspond à la température d'équilibre avec la phase solide -T5 ou -6; ainsi, sur la première sous-couche de phase 0, se forme alors la couche interfaciale classique principale de l'art antérieur, composée de phase T5 ou T6. En sortie de bain, d'une manière classique, la bande en défilement entraîne une couche qui est essorée et se solidifie au refroidissement; on obtient alors la bande aluminée selon l'invention dont la couche alliée interfaciale comprend, au contact de l'acier, une sous-couche essentiellement composée de phase 0. Au niveau du procédé, la caractéristique principale de l'invention porte sur une température d'immersion de bande à la fois: - suffisamment élevée pour que le premier composé solide à se former au contact de l'acier cristallise selon la phase 0, - suffisamment faible pour limiter l'épaisseur de la couche alliée interfaciale. Alors que les températures d'immersion selon l'invention sont largement supérieures à celles que l'on pratique dans l'art antérieur lorsqu'on souhaite limiter l'épaisseur de la couche alliée interfaciale, on constate, contre toute attente, que la couche interfaciale alliée obtenue présente une épaisseur beaucoup plus faible que dans l'art antérieur. La bande aluminée selon l'invention résiste par conséquent beaucoup mieux à la fois à la corrosion et à la fissuration. Sans vouloir se limiter à aucune explication définitive de l'invention, il semblerait que, parmi les phases alliées, la phase 0 soit la plus rapide à pouvoir se former sur la bande en début d'immersion, que cette formation rapide permet de limiter la quantité de ferrite qui passe en solution dans le bain, ce qui limite également l'épaisseur de la couche alliée. Par rapport à l'enseignement du document EP 0 760 399 déjà cité, selon lequel il convient de raccourcir la durée d'immersion et/ou la durée entre la sortie du bain et la fin de solidification du revêtement, I'invention ajoute une condition adaptée pour former en priorité la phase 0 sur le substrat. Avantageusement, dans le procédé d'aluminiage selon l'invention, comme la bande à revêtir est à une température supérieure à celle du bain, on peut se servir de la bande pour réchauffer le bain, pour compenser les pertes thermiques du bain, pour maintenir le bain à la température souhaitée. En termes de bilan énergétique, ce procédé est avantageux, puisque dans la succession des étapes par lesquelles passe la bande - recuit, refroidissement à la température d'immersion, trempé, essorage, refroidissement pour solidification - on effectue un refroidissement après recuit moins important que dans l'art antérieur. De préférence, pour mettre en oeuvre le procédé, on utilise un bain dont la composition et la température moyenne sont adaptées pour être en équilibre avec la phase c6; on constate que les mattes qui résultent de ces bains sont moins gênantes au niveau de la qualité du revêtement obtenu que les mattes qui résultent d'autres bains, notamment ceux dont la composition et la température moyenne sont adaptées pour être en équilibre avec la phase T5. Pour procéder selon cette variante, il suffit, selon les indications fournies par la figure 2, d'augmenter la teneur en silicium et/ou d'abaisser la température moyenne du bain. Les exemples suivants illustrent l'invention. Exemple 1: Cet exemple a pour but d'illustrer l'invention dans le cas de l'aluminiage en continu d'une bande d'acier de nuance IF-Ti (" IF " signifie " Interstitial Free " en langue anglaise, " Ti " signifie que le carbone de l'acier est bloqué par du titane) dans un bain d'aluminiage classique saturé en fer, contenant 9% en poids de silicium et maintenu à la température moyenne de 675 C environ. Dans ces conditions, le bain se saturant naturellement en fer jusqu'à l'apparition de mattes solides, la phase liquide du bain est en équilibre avec la phase solide 5 - Fe3Si2AI12. Sur cette bande d'acier, on procède à différents essais d'aluminiage dans des conditions en tous points identiques sauf la température d'immersion de la bande; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et de la solidification du revêtement est de l'ordre de 13 secondes. Sur les échantillons aluminiés obtenus, on évalue, d'une manière classique, l'épaisseur de la couche interfaciale alliée; on procède par exemple par observations métallographiques sur des coupes de ces échantillons. Le tableau Il récapitule les résultats obtenus en fonction de la température d'immersion. Tableau II - Épaisseur de la couche alliée en fonction de la température de bande à l'immersion. Température de bande: 675 C 720 C 730 C 750 C 765 C Épaisseur de la couche alliée (pm) -6 6-7 2-3 4-5 7 Sur la base des enseignements de l'art antérieur, en vue d'obtenir une épaisseur de couche interfaciale alliée aussi faible que possible, on aurait trempé la bande à une température inférieure ou égale à 675 C (= température du bain). Selon l'invention illustrée par ces résultats, en vue du même objectif, il convient au contraire de tremper la bande à une température supérieure à 720 C et inférieure 765 C, de préférence de l'ordre de 730 C. En se reportant aux figures 1 et 2, on vérifie bien que, pour cette teneur en silicium (9%), cette plage de température correspond bien au domaine d'équilibre du bain saturé en fer avec la phase solide 0. Lorsque l'on procède dans cette plage de température, notamment à 730 C, en sortie d'aluminiage, on obtient alors une tôle revêtue dont la couche alliée interfaciale présente une sous-couche composée essentiellement de phase 0 directement en contact avec l'acier, le reste de la couche alliée comprenant essentiellement de la phase 'C5 comme dans l'art antérieur; globalement, l'épaisseur totale de la couche alliée est beaucoup plus faible que dans l'art antérieur puisque l'on parvient, selon les résultats ci-dessus, à une épaisseur moyenne inférieure ou égale à 3 Um. Exemple 2: On procède comme dans l'exemple 1 à la différence près que le bain contient cette fois 8 % en poids de silicium et que sa température est maintenue à environ 650 C; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et de la solidification du revêtement est cette fois de l'ordre de 11 secondes. Le tableau III récapitule les résultats obtenus en fonction de la température d'immersion. Tableau III - Épaisseur de la couche alliée en fonction de la température de bande à l'immersion. Température de bande: 650 C 680 C 7200C 730 C 740 C Épaisseur de la couche alliée (grrm) 4 5 2-3 3 >3 On constate cette fois -que la température optimale d'immersion est comprise entre 680 C et 740 C, de préférence proche de 720 C; selon la figure 2, pour atteindre le domaine d'existence de la phase 8, il conviendrait que la température soit supérieure ou égale à 700 C environ le domaine de température privilégié correspondrait donc à la plage 700-740 C. Exemple 3: On procède comme dans l'exemple 1 à la différence près que le bain contient cette fois 9,5 % en poids de silicium et que sa température est maintenue à environ 650 C; la durée cumulée de l'immersion dans le bain et de la solidification du revêtement est cette fois de l'ordre de 10 secondes. Le tableau IV récapitule les résultats obtenus en fonction de la température d'immersion. Tableau IV - Épaisseur de la couche alliée en fonction de la température de bande à l'immersion. Température de bande ( C) 650 700 715 740 750 760 Épaisseur de la couche alliée (p.m) 5-6 5-6 7 3 5 7-8 On constate cette fois que la température optimale d'immersion est comprise entre 7150C et 7600C, de préférence proche de 740 C; selon la figure 2, pour atteindre le domaine d'existence de la phase 0, il conviendrait que la température soit supérieure ou égale à 740 C environ le domaine de température privilégié correspondrait donc à la plage 740-760 C. Le tableau V reprend les conclusions des exemples 1 à 3. Tableau V - Température d'immersion en fonction de la teneur Si dans le bain. Teneur en Si dans bain: 8% 9% 9,5% Domaine pratique de température d'immersion ( C): 700-740 720-765 740-760 Température optimale: 720 C 730 C 740 C REVENDICATIONS 1.- Procédé d'aluminiage d'une pièce d'acier comprenant une étape dans laquelle on trempe la pièce dans un bain liquide à base d'aluminium, caractérisé en ce que la composition et la température moyenne de ce bain d'une part, la température d'immersion de cette pièce dans le bain d'autre part, sont adaptées pour obtenir, dans la zone d'immersion de cette pièce, une température et une composition locales de bain permettant un équilibre avec la phase solide dite 0 dont la composition correspond approximativement à la formule chimique FeAI3. 2. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la composition et la température moyenne de ce bain sont adaptées pour être en équilibre avec la phase dite r5 ou la phase dite T6. 3.- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la composition et la température moyenne de ce bain sont adaptées pour être en équilibre avec la phase 'T6. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ce bain liquide est saturé en fer. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la température d'immersion de cette pièce est supérieure à la température du bain. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, si la teneur en silicium dans le bain est de 8%, ladite température d'immersion est comprise entre 700 et 740 C, de préférence égale à environ 720 C. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, si la teneur en silicium dans le bain est de 9%, ladite température d'immersion est comprise entre 720 et 765 C, de préférence égale à environ 730 C. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, si la teneur en silicium dans le bain est de 9,5%, ladite température d'immersion est comprise entre 740 et 760 C, de préférence égale à environ 740 C. 9.- Tôle d'acier aluminiée dont le revêtement aluminié comprend une couche d'alliage AI-Fe-Si et une couche superficielle d'aluminium, susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche d'alliage comprend, au contact du substrat d'acier, une sous-couche composée essentiellement de phase 0. 10.- Tôle selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche alliée est inférieure ou égale à 3 pim.