Brevet FR2986827A1 — publié le 20130816

Dispositif d'échappement L'invention se rapporte à dispositif d'échappement pour véhicules, comportant un composant en tôle d'acier revêtue. Les composants de dispositif d'échappement dans les véhicules sont habituellément fabriqués en matériaux à haute résistance thermique et résistants à la corrosion, tels que l'acier inoxydable. A cet effet, les composants sont habituellement fabriqués en aciers présentant une épaisseur de paroi allant jusqu'à 10 mm. Les grandes épaisseurs de paroi sont nécessaires pour satisfaire aux garanties des constructeurs de véhicules concernant la durée de service des installations de gaz d'échappement. Pour des raisons optiques, les composants sont souvent pourvus d'une couche de base en nickel et d'une couche de recouvrement en chrome. Il est en outre connu d'utiliser des tôles d'acier pourvues d'un revêtement en aluminium. Les tôles d'acier revêtues d'aluminium sont certes stables contre une sollicitation par chocs thermiques, la résistance aux liquides corrosifs stagnants, tels que les condensats de gaz d'échappement, et à la corrosion en criques n'est cependant pas suffisante. Le document US-A 3,762,884 décrit l'utilisation d'un acier austénitique faiblement allié qui est revêtu d'un alliage de chrome et de nickel appliqué par pistolage à la flamme et qui est ensuite transformé en une couche d'aluminiure de nickel contenant du chrome. L'utilisation d'aciers austénitiques provoque des coûts élevés d'alliage. L'application de la couche à plusieurs composants par pistolage à la flamme est également coûteuse et consomme beaucoup d'énergie. Il existe donc toujours un besoin de matériaux peu coûteux pour l'utilisation dans les dispositifs d'échappement pour véhicules, lesquels ont une bonne usinabilité et se prêtent à des applications de construction légère, mais qui sont également résistants à la corrosion et aux chocs thermiques. Ce but est atteint selon l'invention au moyen d'un dispositif d'échappement pour véhicules qui comporte un composant en tôle d'acier revêtue et est caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une épaisseur de 4,5 mm au maximum, de préférence de 2,5 mm au maximum, et est réalisée en un acier inoxydable ferritique présentant un taux de chrome de 10,5 % à 25 %, un taux de molybdène de 0 à 2,5 %, un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 % à 1,2 % chacun, et en ce que le revêtement est en nickel. - 2 - Les aciers inoxydables ferritiques sont des produits de fabrication en masse peu coûteux qui présentent de bonnes propriétés de formage et une bonne résistance à la corrosion. Le revêtement en nickel peut être appliqué de manière peu coûteuse sur la tôle d'acier au moyen d'installations de galvanisation en continu connues et présente aussi une bonne résistance à la corrosion face aux liquides stagnants tels que les condensats de gaz d'échappement, et face aux influences de l'environnement. La combinaison d'aciers ferritiques choisis avec un revêtement en nickel permet de manière surprenante de fabriquer des composants non seulement peu coûteux mais également mécaniquement stables à des épaisseurs de paroi convenant pour la construction légère, lesquels satisfont néanmoins aux exigences des constructeurs automobiles concernant la résistance à la corrosion d'installations de gaz d'échappement pendant la durée de service garantie. Selon l'invention, on entend par acier inoxydable un acier présentant une teneur en carbone de 1,2 % au maximum et une teneur en chrome d'au moins 10,5 `Vo. Toutes les indications de pourcentage se rapportent à un pourcentage en poids, dans la mesure où aucune autre valeur de référence n'est indiquée. Etant donné que le niobium apparaît ensemble avec le tantale et que les deux éléments ont les mêmes propriétés métallurgiques et ne peuvent que difficilement être séparés, on entend pour les usages de la présente invention par « niobium » également un mélange de niobium et de tantale. Les aciers austénitiques cristallisent dans le réseau cristallin cubique à faces centrées et présentent habituellement une haute teneur en nickel qui stabilise la structure austénitique. La fabrication d'aciers austénitiques est cependant coûteuse en raison des coûts d'alliage élevés. Les aciers ferritiques cristallisent dans le réseau cristallin cubique centré dans l'espace et ont habituellement une meilleure résistance à la corrosion de fissure due à la tension que les aciers austénitiques. Un ajout de molybdène améliore encore la résistance à la corrosion et stabilise en outre la structure ferritique. C'est pourquoi on utilise selon l'invention au choix des aciers ferritiques contenant du molybdène pour la fabrication des tôles d'acier revêtues. Les tôles d'acier utilisées selon l'invention contiennent en outre un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 à 1,2 % chacun. Les ajouts de titane et/ou de niobium lient le carbone libre et mènent à une soudabilité améliorée. - 3 - Selon des modes de réalisation avantageux, le dispositif d'échappement de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous qui peuvent être combinées au choix les unes avec les autres. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif d'échappement selon l'invention, la 5 tôle d'acier présente un taux de chrome dans la plage de 10,5 % à 20 %. Au-dessus d'un taux de chrome de 20 %, une transformation en un réseau cristallin austénitique peut se produire en particulier à des températures élevées. Le taux de chrome est de façon particulièrement préférée dans la plage de 16 % à 20 %, et le taux de molybdène est de 0,8 % à 2,5 %. Ces qualités d'acier sont facilement 10 disponibles et sont également présentes dans un état stable dans la structure ferritique aux températures survenant dans les dispositifs d'échappement. La teneur en carbone de la tôle d'acier est de préférence dans la plage de 0,01 à 0,15 %, de façon particulièrement préférée de 0,02 à 0,1 %. Une faible teneur en carbone favorise la résistance à la corrosion de la tôle d'acier. 15 La tôle d'acier utilisée selon l'invention présente de préférence un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 à 1 % chacun, de façon particulièrement préférée de 0,1 à 0,6 %. Des taux plus élevés de titane et/ou de niobium augmentent les coûts d'alliage mais ne produisent pas d'amélioration des propriétés pour l'objectif de l'utilisation dans les installations de gaz d'échappement. 20 Selon un autre mode de réalisation préféré, la tôle d'acier utilisée selon l'invention présente une résistance relative aux piqûres de corrosion, également nommée somme active ou valeur PRE (Pitting Resistance Equivalent), définie PRE = % Cr + 3 x% Mo, de PRE = 10,5 - 25. La valeur PRE désigne la résistance relative aux piqûres de 25 corrosion d'un acier inoxydable dans un environnement chloré. Plus la valeur PRE est élevée, plus l'acier est résistant à la corrosion. Les inventeurs ont reconnu que la résistance relative aux piqûres de corrosion de la tôle d'acier ferritique a une grande influence sur le comportement du revêtement en nickel sous des conditions de corrosion. Cette influence est due au potentiel de corrosion 30 électrochimique entre le revêtement en nickel et le substrat ferritique dans l'environnement corrosif des installations de gaz d'échappement. Au moyen de la valeur PRE, il est ainsi possible de classer les tôles d'acier revêtues de nickel en différentes classes : - 4 - 1) Pour une valeur PRE L'invention est décrite dans ce qui suit à l'aide d'un exemple de réalisation préféré et du dessin annexe, dans lequel : - La figure 1 montre une vue schématique d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comportant un dispositif d'échappement selon l'invention. La figure 1 montre de façon exemplaire le moteur à combustion interne 10 d'un véhicule automobile et un dispositif d'échappement 12 agencé en aval. Le dispositif d'échappement 12 présente un tronçon de collecteur 16 s'étendant jusqu'à une bride 14, ainsi qu'un tronçon 18 de dessous de caisse se raccordent en aval du tronçon de collecteur 16, lesquels sont reliés l'un à l'autre par un dispositif 20 de découplage de vibrations. Au moteur à combustion interne 10 se raccorde un tuyau d'échappement comportant un premier tronçon de tube 22 menant à un accumulateur de réception de particules 24 présentant un catalyseur d'oxydation. Un turbocompresseur 26 est agencé dans le tronçon de collecteur 16 directement en aval de l'accumulateur de réception de particules 24. En alternative, les positions de l'accumulateur de réception de particules 24 et du turbocompresseur 26 pourraient aussi être échangées. Un accumulateur de NOx 28 est également agencé dans le tronçon de collecteur 16, plus précisément en aval de l'accumulateur de réception de particules 24 et du turbocompresseur 26. Le tronçon 18 de dessous de caisse comprend une conduite d'échappement 30 allongée menant à une unité 32 de filtre à particules. L'unité 32 de filtre à particules peut être un filtre à particules de suie usuel, présentant un substrat ou une cartouche de filtre 34 en cordiérite et un catalyseur d'oxydation 38 agencé en amont. Le catalyseur d'oxydation 38 peut être supprimé si la partie amont de la cartouche de filtre 34 est revêtue de manière appropriée. A l'unité 32 de filtre à particules se raccorde une pièce de tube 40 menant à un silencieux (non représenté) et évacuant les gaz d'échappement. - 7 - Les composants décrits ici du dispositif d'échappement sont en tant que tels connus de l'état de la technique et peuvent varier selon le type de carburant utilisé et le domaine d'application du dispositif d'échappement. Tous les composants du dispositif d'échappement sont exposés à des températures élevées pouvant être largement supérieures à 250 °Cet aller jusqu'à 900°C. En raison des variations de température lors du fonctionnement du dispositif d'échappement, des sollicitations alternées considérables surviennent sur les composants. Aux endroits plus froids du dispositif d'échappement, la formation de condensats hautement corrosifs composés des constituants des gaz d'échappement est en outre observée. La face visible du dispositif d'échappement est en outre également continuellement exposée à un environnement corrosif lors du fonctionnement d'un véhicule automobile, par exemple par l'effet de sel d'épandage durant les moins d'hiver. Les composants du dispositif d'échappement doivent donc résister à une corrosion au moins sur la durée de service telle que garantie par le constructeur automobile. Il y a cependant en même temps l'exigence d'un faible poids de véhicule pour réduire la consommation de carburant. Selon l'invention, des composants individuels ou plusieurs composants du dispositif d'échappement 12, en particulier des parties du tuyau d'échappement telles que les tubes d'échappement 22 et 30, une partie du silencieux ou les boîtiers d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement, en particulier du catalyseur d'oxydation 38 ou des unités 24 et 32 de filtre à particules, sont ainsi réalisés en une tôle d'acier revêtue de nickel, la tôle d'acier présentant une épaisseur de 2,5 mm au maximum et étant réalisée en un acier inoxydable ferritique présentant un taux de chrome de 10,5 % à 25 %, un taux de molybdène de 0 à 2,5 %, et un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 à 1,2 % chacun. Pour la classification des aciers, il est renvoyé à DIN EN 10020 : 2007-03. Le revêtement en nickel peut être appliqué sur la tôle d'acier de manière peu coûteuse et avec l'étanchéité souhaitée au moyen d'installations de galvanisation en continu sous forme d'une ou de plusieurs couches, et présente de façon surprenante une bonne résistance à la corrosion face à des liquides stagnants tels que des condensats, et face aux influences de l'environnement. Pour le revêtement en nickel, il est possible d'utiliser des bains galvaniques tels que connus de l'état de la technique. Des bains galvaniques avec des sels de nickel, en particulier du sulfate de nickel et du chlorure de nickel dans une solution acide (pH 4 à 5), en particulier dans de l'acide borique, sont par exemple appropriés. - 8 - Selon un mode de réalisation préféré, la tôle d'acier ferritique présente un taux de chrome dans la plage de 10,5 % à 20 `Vo. La sorte 1.4512 peut être nommée comme exemple pour un tel acier. Le taux de chrome est de façon particulièrement préférée dans la plage de 16 % à 20 %, et le taux de molybdène est de 0,8 % à 2,5 `Vo. Des exemples pour de tels aciers sont les sortes 1.4526 et 1.4513. La teneur en carbone de la tôle d'acier selon l'invention est de préférence dans la plage de 0,01 à 0,15 %, de façon particulièrement préférée de 0,02 à 0,08 %. La tôle d'acier utilisée selon l'invention présente de préférence dans les modes de réalisation décrits ci-dessus un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 à 1 % chacun, de façon particulièrement préférée de 0,1 à 0,6 % chacun. Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la tôle d'acier utilisée selon l'invention présente une résistance relative aux piqûres de corrosion (valeur PRE), définie PRE = % Cr + 3 x % Mo, de 10,5 à 25 y compris, de préférence de 10,5 à environ 19. Dans cette plage des valeurs PRE, le revêtement en nickel est soit cathodiquement protégé et reste optiquement intacte, soit la corrosion sur le substrat en acier n'est pas négativement influencée par le revêtement en nickel. Selon un mode de réalisation très particulièrement préféré, la tôle d'acier réalisée selon l'invention en un acier inoxydable ferritique présente une épaisseur de 0,4 à 1,2 mm. Les tôles d'acier sont de préférence pourvues des deux côtés du revêtement en nickel. Pour réaliser une économie sur les coûts, le revêtement en nickel peut cependant dans tous les modes de réalisation être appliqué d'un seul côté de la tôle d'acier qui, à l'état monté dans le dispositif d'échappement, est exposé à une attaque par corrosion. La tôle d'acier revêtue de nickel peut être usinée sans autre traitement thermique par des techniques de formage et/ou des procédés de soudage connus pour obtenir les composants du dispositif d'échappement. Selon un autre mode de réalisation, il est en plus possible d'effectuer un traitement de diffusion tel que généralement connu de l'état de la technique. Grâce au traitement de diffusion, l'adhérence du revêtement en nickel est d'une part améliorée et, d'autre part, l'étanchéité de la couche et ainsi la résistance à une corrosion locale est augmentée. Les composants en la tôle d'acier revêtue de nickel sont de préférence agencés dans une zone à l'intérieur du dispositif d'échappement, dans laquelle se forment des condensats composés de constituants des gaz d'échappement. Une corrosion locale - 9 - et/ou une corrosion par des liquides stagnants peut alors être réduite de façon optimale dans ces zones. Examen du vieillissement artificiel dans un essai au brouillard salin Pour le contrôle de la résistance à la corrosion de la tôle d'acier revêtue selon l'invention de nickel, comparée à des tôles d'acier non revêtues, un test de vieillissement artificiel à été effectué. A cet effet, différents corps d'échantillon présentant les dimensions 100 mm x 100 mm ont tout d'abord été maintenus pendant 3,5 heures à une température ambiante ou ont été chauffés à des températures entre 300°C et 500°C, et ont ensuite été aspergés pendant 4 heures d'une solution saline (5 % en poids de NaCI dans de l'eau distillée). Les corps d'échantillon ont ensuite été exposés pendant 4 heures à un climat d'eau condensée changeant entre 20°C et 40°C et à une humidité atmosphérique de 70 à 95 %. Ensuite, un climat ambiant à 20°C et 65 % dtumidité atmosphérique a été simulé pendant 12,5 heures. Ce cycle de traitement en quatre parties a été répété plusieurs fois. Les corps d'échantillon ont ensuite été soumis à un examen visuel quant à des points de corrosion. Le test de vieillissement décrit correspond à une sollicitation des composants d'une installation de gaz d'échappement sous des conditions de fonctionnement normales sur une période d'environ 4 ans. Trois tôles d'acier en aciers inoxydables ferritiques des sortes 1.4510, 1.4512 et 1.4509 (DIN EN 10088-2) ainsi qu'une tôle d'acier non revêtue en un acier inoxydable austénitique de la sorte 1.4301 (DIN EN 10088-2 ; AISI 304), qui ont chacune été revêtues de nickel dans une installation de galvanisation en continu, ont été examinées. L'épaisseur totale de la couche de nickel était comprise entre 3 et 10 iim. Les résultats de l'essai au brouillard salin sont donnés dans le tableau suivant. Tableau Echantillon Température 300°C 400°C 500°C ambiante Ni-1.4510 + + + + Ni-1.4512 + + + + Ni-1.4509 + + + + 1.4301 + +/- (comparaison) - 10 - Dans le tableau signifient : = faible corrosion ; utilisable +/- = corrosion clairement visible ; utilisation restreinte = forte corrosion ; inutilisable Au moyen de l'essai de vieillissement décrit ci-dessus, il est possible de montrer que les tôles d'acier revêtues de nickel selon l'invention présentent une résistance à la corrosion suffisante et se prêtent aux applications de construction légère dans les dispositifs de gaz d'échappement. La tôle d'acier présente une résistance aux piqûres de corrosion, définie comme PRE = % Cr + 3x% Mo, de PRE = 10 à 25. La tôle d'acier revêtue est agencée à l'intérieur du dispositif d'échappement et est exposée à une corrosion par des liquides stagnants, le revêtement en nickel faisant face au liquide stagnant. REVENDICATIONS1. Dispositif d'échappement pour véhicules, comportant un composant en tôle d'acier revêtue, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une épaisseur de 4,5 mm au maximum et est réalisée en un acier inoxydable ferritique présentant un taux de chrome de 10,5 % à 25 %, un taux de molybdène de 0 à 2,5 %, un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 % à 1,2 % chacun, et en ce que le revêtement est en nickel. 2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente un taux de chrome dans la plage de 10,5 % à 20 %. 3. Dispositif d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente un taux de chrome dans la plage de 16 % à 20 % et un taux de molybdène de 0,8 % à 2,5%. 4. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 % à 0,6 % chacun. 5. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une teneur en carbone dans la plage de 0,01 à 0,15 `Vo. 6. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une résistance aux piqûres de corrosion, définie comme PRE = % Cr + 3 x % Mo, de PRE = 10 à 25. 7. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une épaisseur de 0,4 à 2,5 mm. 8. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier présente une épaisseur de 2,5 mm au maximum, en particulier de 0,4 à 1,2 mm. 9. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement en nickel présente une ou plusieurs couches de nickel d'une épaisseur totale du revêtement entre 3 lm et 20 iim. 10. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la teneur en phosphore dans le revêtement en nickel est de 1 (3/0 au maximum.-12- 11. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle d'acier revêtue de nickel est soumise à un traitement de diffusion. 12. Utilisation d'une tôle d'acier revêtue de nickel selon l'une des revendications 1 à 11 en tant que composant dans un dispositif d'échappement pour véhicule, la tôle d'acier présentant une épaisseur de 4,5 mm au maximum, en particulier de 2,5 mm au maximum, et étant réalisée en un acier inoxydable ferritique présentant un taux de chrome de 10,5 (3/0 à 25 %, un taux de molybdène de 0 à 2,5 %, un taux de titane et/ou de niobium de 0,1 (3/0 à 1,2 % chacun. 13. Utilisation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le composant est une partie d'un tuyau d'échappement, d'un tube d'échappement, une partie d'un silencieux ou un boîtier d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement, en particulier d'un catalyseur ou d'un filtre à particules diesel. 14. Utilisation selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce que la tôle d'acier revêtue est agencée à l'intérieur du dispositif d'échappement et est exposée à une corrosion par des liquides stagnants, le revêtement en nickel faisant face au liquide stagnant.