Procédé de revêtement d'une bande métallique et installation de mise en œuvre du procédé

La présente invention concerne un procédé de revêtement de bande métallique, plus particulièrement destiné au revêtement de bandes d'acier par des couches à base de zinc et d'éléments métalliques oxydables, sans pour autant y être limitée.

On connaît différents procédés permettant de déposer sur une surface métallique, telle qu'une bande d'acier, des revêtements métalliques composés d'une couche de métal, de plusieurs couches successives de différents métaux, ou bien encore d'alliages métalliques. Parmi celles-ci, on pourra citer la galvanisation au trempé à chaud, l'électrodéposition ou bien encore les différents procédés de dépôt sous vide (évaporation, sputtering magnétron, etc.). Certains produits doivent se déposer en plusieurs couches pour des raisons technologiques, voire économiques, et subir un traitement thermique de diffusion donnant accès à l'alliage dont les propriétés sont celles recherchées. Cela peut par exemple être le cas des dépôts de zinc- magnésium qui peuvent avantageusement remplacer les dépôts de zinc pur ou d'autres alliages de zinc.

Le traitement thermique de diffusion peut s'avérer complexe et onéreux. Il peut impliquer l'utilisation de grandes quantités de gaz dïnertage pour prévenir des oxydations favorisées par les hautes températures, lors du traitement thermique. En outre, afin d'éviter tout risque d'oxydation entre le dépôt de l'élément oxydable et son traitement de diffusion, il est nécessaire de pratiquer les deux opérations immédiatement à la suite l'une de l'autre, sans exposer la bande à l'air libre.

En outre, une ligne de traitement thermique en continu a des vitesses de défilement incompatibles avec les temps nécessaires à la diffusion. Une première solution consisterait à réaliser des équipements de traitement en continu à température modérée, dont la longueur permette d'assurer les temps nécessaires à la diffusion, mais ceux-ci sont alors encombrants, coûteux et on ne dispose pas toujours de la place nécessaire à

leur implantation dans des lignes de production existantes. Ainsi, des essais ont montré qu'à 300 ⁰ C ₁ pour un dépôt de zinc surmonté d'une couche de magnésium présentant une épaisseur de 1,5 μm, il faut 50 secondes pour accomplir la diffusion, ce qui représente une distance de 150 m de maintien à température pour une bande défilant à 180 m/min.

De telles tailles d'équipements sont difficilement acceptables et imposent donc dans la pratique industrielle d'envisager de plus hautes températures, en utilisant des équipements de traitement en continu plus courts. Ainsi, pour un dépôt de zinc surmonté d'une couche de magnésium présentant une épaisseur de 1,5 μm, il est possible de limiter la diffusion à plus ou moins 10 secondes, ce qui représente une distance de 30 m de maintien à température pour une bande défilant à 180 m/min. Cependant, la fenêtre de travail pour ce type de traitement dynamique de diffusion est très réduite, car dès que l'on atteint 350 à 36O ⁰ C, le dépôt fond en passant par un eutectique et mène à une altération des propriétés du revêtement. La mise en œuvre du procédé sur des lignes de forte capacité dont la vitesse de défilement de la bande est de 160 à 180 m/min est donc très délicate. En outre, les énergies à mettre en œuvre sont plus importantes et on s'interdit le traitement de certaines nuances d'acier, telles les nuances dites à bake- hardening, massivement utilisées dans l'automobile et dont les propriétés seraient altérées par un tel traitement thermique.

Par ailleurs, même en réduisant la taille des équipements, les longueurs de traitement à mettre en oeuvre restent telles que l'équipement de traitement en continu doit prévoir des rouleaux support de bande ou déflecteurs de celle-ci, qui sont complexes et onéreux, car ils doivent être refroidis et conçus de manière à ne pas dégrader la couche formée, ce qui peut notamment arriver lorsque les bandes collent sur les rouleaux.

Le but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients des procédés de l'art antérieur en mettant à disposition un procédé de fabrication d'une bande métallique recouverte d'un revêtement à base de zinc ou d'alliage de zinc et d'un métal oxydable ou d'un alliage métallique oxydable, qui consomme peu d'énergie et peu ou pas de gaz d'inertage, qui

soit facile à mettre en œuvre, d'un faible encombrement et permette le traitement de substrats métalliques de nature variée.

A cet effet, un premier objet de la présente invention est constitué par un procédé de revêtement d'une bande métallique selon lequel on dépose sous vide une couche de métal oxydable ou d'alliage métallique oxydable sur une bande métallique préalablement revêtue de zinc ou d'alliage de zinc, puis on bobine la bande métallique revêtue et on procède à un traitement statique de diffusion sur la bobine enroulée afin d'obtenir une bande dont le revêtement comprend, en partie supérieure, une couche d'alliage formé par diffusion du métal oxydable ou de l'alliage métallique oxydable dans tout ou partie de la couche de zinc ou d'alliage de zinc.

Le procédé selon l'invention peut également comprendre différentes caractéristiques optionnelles, prises seules ou en combinaison :

- le revêtement comprend uniquement une couche d'alliage formé par diffusion du métal oxydable ou de l'alliage métallique oxydable dans toute la couche de zinc ou d'alliage de zinc,

- le revêtement comprend une partie inférieure constituée de zinc ou d'alliage de zinc et une partie supérieure constituée d'une couche d'alliage formé par diffusion du métal oxydable ou de l'alliage métallique oxydable dans une partie de la couche de zinc ou d'alliage de zinc.

- la bande métallique a été préalablement revêtue de zinc ou d'alliage de zinc par un procédé de galvanisation au trempé à chaud,

- la bande métallique a été préalablement revêtue de zinc ou d'alliage de zinc par un procédé d'électrodéposition,

- la bande métallique a été préalablement revêtue de zinc ou d'alliage de zinc par un procédé de dépôt sous vide, - la bande métallique est préalablement revêtue d'une couche de zinc ou d'alliage de zinc présentant une épaisseur comprise entre 0,5 et

15 μm, de préférence entre 0,5 et 7,5 μm, de façon plus particulièrement préférée entre 0,5 et 5 μm,

- la bande métallique revêtue de zinc ou d'alliage de zinc est revêtue de magnésium ou d'alliage de magnésium par dépôt sous vide, - on dépose une couche de magnésium par évaporation sous vide en une épaisseur comprise entre 0,2 et 5 μm, de préférence entre 0,2 et 2 μm,

- on forme, lors du recuit statique de diffusion, une couche d'alliage de composition Zn ₂ Mg ₁ comprenant éventuellement des composés

- le revêtement de la bande métallique revêtue du métal ou de l'alliage métallique oxydable est oxydé en surface avant de subir ledit traitement statique de diffusion.

- la bobine de bande métallique est chauffée pendant une durée comprise entre 4 et 40 heures, à une température inférieure à 200 ^α C,

- la bande métallique est une bande d'acier, et peut être en acier à durcissement par cuisson (bake-hardening).

Un second objet de l'invention est constitué par une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, comprenant :

- un dispositif de galvanisation de ladite bande métallique, suivi par

- un dispositif de revêtement par dépôt sous vide, et

- un dispositif de traitement thermique statique sous atmosphère contrôlée.

L'installation selon l'invention peut également comprendre les variantes suivantes, prises isolément ou en combinaison :

- le dispositif de galvanisation est un dispositif de galvanisation au trempé à chaud,

- le dispositif de galvanisation est un dispositif de galvanisation par électrodéposition,

- le dispositif de galvanisation est un dispositif de galvanisation par dépôt sous vide.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple.

Le procédé selon l'invention s'applique plus particulièrement, mais pas uniquement, au traitement de bandes d'acier, revêtues de zinc ou d'alliage de zinc. Par alliage de zinc, on désigne tout composé comprenant au moins 50% de zinc et pouvant contenir, par exemple, de l'aluminium, du fer, du silicium etc..

L'obtention des bandes revêtues pourra être fait par tout procédé de galvanisation, qu'il s'agisse de galvanisation au trempé à chaud, d'électrodéposition ou de dépôt par évaporation sous vide, par exemple. On préférera cependant les bandes revêtues par électrodéposition ou dépôt par évaporation sous vide qui présentent une épaisseur de dépôt constante sur toute la surface de la bobine d'acier

L'épaisseur du revêtement sera de préférence comprise entre 0,5 et 15 μm. En effet, en dessous de 0,5 μm, la protection contre la corrosion de la bande risquerait d'être insuffisante. L'épaisseur du revêtement peut atteindre 15 μm en fonction des applications finales de la bande, mais est en général inférieure à 7,5 μm, car il n'est pas nécessaire d'aller au-delà pour avoir le niveau de résistance à la corrosion requis dans l'automobile, notamment.

On pourra bien sur utiliser le procédé selon l'invention avec tout substrat métallique revêtu susceptible de ne pas voir ses propriétés détériorées de façon irréversible lors du traitement thermique ultérieur. Ainsi, on pourra notamment appliquer le procédé selon l'invention à des bandes d'acier dits à bake-hardening qui contiennent de fortes quantités de carbone en solution solide qui ne doit pas être totalement précipité avant que la bande soit mise en forme par emboutissage ou tout autre procédé adapté. Le traitement thermique selon l'invention, malgré ses faibles niveaux de température, va précipiter une petite partie du carbone en solution solide présent dans ces nuances, mais un traitement d'écrouissage superficiel après

diffusion permettra de restaurer les propriétés de ces nuances, ce qui ne serait pas possible avec les procédés de l'art antérieur. La réalisation du cycle de recuit statique à faible température permet ainsi de rendre compatible le traitement thermique avec la plupart des métallurgies.

La bande métallique revêtue de zinc ou d'alliage de zinc, est tout d'abord revêtue d'une couche de métal oxydable ou d'un alliage oxydable par un procédé de dépôt sous vide. On pourra notamment citer les procédés de sputteriπg magnétron, de dépôt par plasma froid, d'évaporation sous vide, sans pour autant y limiter l'invention.

L'utilisation d'un tel procédé permet notamment de déposer une très fine couche de métal ou d'alliage oxydable, qui sera de préférence comprise entre 0,2 et 5 μm. En outre, ce type de procédé de revêtement permet de déposer cette couche supplémentaire sans chauffer la bande et donc sans la soumettre à des phénomènes de diffusion intempestifs entre le substrat et la couche de zinc.

Le dépôt du métal ou de l'alliage métallique oxydable se fait de façon classique à partir d'une bobine métallique que l'on déroule avant de la faire pénétrer dans l'enceinte de dépôt. La bande défile dans cette enceinte où elle est soumise au dépôt, puis sort de l'enceinte et est bobinée de façon classique là-aussi.

Le métal oxydable peut en particulier être constitué de magnésium, qui présente l'avantage de renforcer fortement la résistance à la corrosion d'une bande métallique lorsqu'il est ajouté au zinc dans le revêtement de surface de cette bande métallique. Dans la plupart des applications, l'épaisseur de magnésium pourra être limitée à 2 μm, du fait de cette amélioration considérable de la résistance à la corrosion.

A l'issue de cette étape de dépôt, la bande métallique est donc recouverte d'une couche de zinc ou d'alliage de zinc, surmontée d'une couche de métal ou d'alliage oxydable. Le bobinage puis le stockage de la bande étant effectué sans inertage de la bande, celle-ci s'oxyde rapidement en extrême surface au contact de l'oxygène de l'air, formant ainsi une couche d'oxydation.

Les présents inventeurs ont alors tenté de procéder à un recuit statique de la bobine métallique non déroulée, qui a permis d'obtenir une diffusion tout à fait correcte de l'élément oxydable dans la couche supérieure de la couche de zinc ou d'alliage de zinc. De façon tout à fait surprenante, la couche d'oxydation n'a en rien gêné cette diffusion, contrairement à ce que l'homme du métier aurait pu attendre.

En outre, cette même couche d'oxydation s'est avérée propice au non collage des spires de la bobine lors du traitement thermique de diffusion.

Il reste bien sûr possible de protéger la bande métallique de l'oxydation durant le transport et le stockage entre l'opération de revêtement et le traitement thermique par la réalisation d'un ultime dépôt de protection. Mais les essais réalisés en laboratoire montrent que cette protection n'est pas nécessaire.

Le recuit statique est effectué dans une installation classique de recuit base sous une atmosphère qui peut être oxydante ou non-oxydante.

En particulier, les présents inventeurs ont montré que le traitement de recuit sous atmosphère oxydante, telle que de l'air, permettait d'éviter l'apparition de certaines hétérogénéités de teinte en surface de la bande.

Comme dans le cas d'un recuit métallurgique de bobine métallique non revêtue, les vitesses de montée et de descente en température doivent être adaptées en fonction des hétérogénéités de température que l'on accepte au sein de la bobine métallique. Les autres caractéristiques des cycles thermiques à réaliser, telles que la durée de la montée en température, le temps de maintien, la durée du refroidissement, sont également déterminées en fonction du niveau de température maximum souhaité. Ainsi, on peut voir en figure 1 un exemple de cycle thermique réel pour le traitement d'une bobine d'acier de 2 toriπes. Cette figure représente les consignes en température et le pilotage des brûleurs d'un dispositif de traitement thermique statique. On voit que la montée en température est effectuée sur 14 heures jusqu'à atteindre 17O ⁰ C, puis le chauffage est interrompu et la bobine refroidit progressivement jusqu'à atteindre 55 'C au bout de 30 heures de traitement total.

Ce type de recuit s'effectuant sur des durées allant généralement de 4 à 40 heures, les températures maximum atteintes seront généralement inférieures à 200 ⁰ C. Ceci permet de traiter un grand nombre de nuances d'acier ou de métal sensibles à une élévation trop importante de la température et qui ne pourrait subir un recuit continu. En effet, en raison de la vitesse importante de défilement lors d'un recuit continu, la température du palier est beaucoup plus élevée.

Des cycles de diffusion statique ont été réalisés à différentes températures et différents serrages entre tôles. Ces différents serrages ont montré que, bien au delà de la gamme normale des contraintes d'enroulement et bien au delà de la gamme normale des pressions subies lors des traitements thermiques sur bobines, il n'y avait pas de collage entre spires.

Les tôles issues de ces traitements thermiques de diffusion statique montrent des produits correctement diffusés et l'obtention de l'alliage visé en surface du revêtement, avec diffusion totale ou partielle en fonction des cas.

Exemples de réalisations

Exemple 1

Une bobine de 15 tonnes de bande d'acier à bake-hardening revêtue d'une couche de 2,5 μm de zinc par électrodéposition, est ensuite revêtue d'une couche de 1 μm de magnésium par évaporatioπ sous vide. La bande a ensuite séjourné plusieurs jours à l'air libre sans protection particulière, ce qui a entraîné la formation d'une couche d'oxyde de magnésium en extrême surface.

La bande métallique est ensuite soumise à un traitement de recuit statique à 16O ⁰ C pour faire diffuser le magnésium dans le zinc. Le gaz d'inertage utilisé pendant le recuit statique est un mélange d'azote et d'hydrogène, identique à celui utilisé classiquement pour le recuit des aciers à bas carbone. On n'observe pas d'oxydation de la bobine

g

métallique lors du traitement thermique du fait de l'utilisation d'un gaz dïnertage non oxydant.

Le cycle thermique subi par la bobine est représenté en figure 2. Cette figure représente en plus de l'évolution de la température du gaz interne au four, les évolutions en température des différents points de la bobine d'acier dont en particulier le point le plus chaud et le point le plus froid.

On voit que la montée en température est réalisée pendant une durée approximative de 14 heures. Le palier de maintien en température à 16O ⁶ C ₁ s'effectue en environ 2 heures pendant lesquelles a lieu la diffusion du magnésium. Dans la pratique, on obtient un tel palier de maintien en éteignant simplement le four et en laissant la bobine à l'intérieur. Le refroidissement jusqu'à la température de 70 ⁰ C dure 8 heures. Le cycle total est ainsi voisin de 24 heures. Pour amorcer le refroidissement, on sort la bobine du four et on la place sous une cloche de refroidissement qui permet de contrôler les conditions de ce refroidissement.

On réalise ainsi l'alliation de la totalité du magnésium avec une partie du zinc formant la première couche et on obtient un revêtement présentant une sous-couche de zinc et une couche supérieure d'alliage Zn-Mg. Les différences de températures entre le point le plus chaud de la bobine et le point le plus froid de la bobine engendrent une différence de taux de diffusion limitée à quelques pourcents, ce qui n'entraîne pas de modifications significatives des propriétés du revêtement. Il est d'ailleurs possible d'adapter le temps de maintien en température avant refroidissement afin de permettre une uniformisation complète de ce taux de diffusion si cela s'avérait nécessaire.

Exemple 2

De la même façon que dans l'exemple 1 , deux bobines A et B de 15 tonnes de bande d'acier à bake-hardening identique à celui précédemment utilisé, revêtues d'une couche de 2,5 μm de zinc par électrodéposition, sont ensuite revêtues d'une couche de 1 μm de magnésium par êvaporation sous vide. Ces bandes séjournent ensuite à l'air

libre sans protection particulière, ce qui entraine la formation d'une couche d'oxyde de magnésium en extrême surface.

Les bandes métalliques sont ensuite soumises l'une après l'autre à un traitement de recuit statique à 16O ⁰ C dans une même installation de recuit statique, pour faire diffuser le magnésium dans le zinc. Le cycle thermique subi par les bobines est identique à celui de l'exemple 1, la seule différence de traitement résidant dans le type d'atmosphère choisi pour le recuit de la bobine B.

Bobine A :

Le gaz utilisé pendant le recuit statique de la bobine A est un mélange inerte d'azote et d'hydrogène identique à celui cité dans l'exemple 1. Les mêmes effets quant à l'oxydation de la bobine métallique lors du traitement thermique peuvent être observés.

De plus, alors que dans l'exemple 1, la couleur de la bande métallique après le traitement de recuit statique était d'un gris clair uniforme, on observe dans ce cas l'apparition d'auréoles plus sombres en rives de bande. La couleur de l'axe de bande, quant à elle, est restée inchangée par rapport à celle observée dans l'exemple 1. Des observations par microscopie électronique montrent que, dans la zone claire, les cristallites de magnésium présentes en surface de bande ont des formes géométriques hexagonales bien nettes et déterminées. Par contraste, dans les zones sombres, les cristallites de magnésium présentes en surface de bande sont déformées et présentent des arêtes irrégulières.

Des investigations complémentaires n'ont pas permis de relever de différence notable d'un point de vue chimique entre la zone claire et les zones sombres.

Cette légère hétérogénéité de teinte est donc très probablement due à la déformation des cristallites de magnésium en surface de bande dans les zones sombres : ces cristallites diffusent la lumière de manière différente et produisent l'effet visuel observé.

Tous les paramètres de l'étude (bande d'acier, revêtements de zinc et de magnésium, caractéristiques thermiques et atmosphère du recuit) ayant été laissés inchangés par rapport à ceux de l'exemple 1, l'origine de la déformation des cristallites s'avère être liée à l'installation de recuit elle- même. En effet, selon les campagnes de production en cours, celle-ci peut contenir des quantités variables d'espèces polluantes, comme par exemple des résidus carbonés issus de la combustion d'huiles de laminage. De plus, la forme du défaut de coloration, qui présente une oscillation partant des rives, laisse supposer un effet de diffusion inter-spires d'espèces gazeuses contenues dans l'atmosphère de recuit. Ainsi, la présence d'agents polluants dans l'atmosphère de recuit, combinée à un effet de gradient thermique transversal à la bande, pourrait expliquer le phénomène observé.

Bobine B :

Le gaz utilisé pendant le recuit statique de la bobine B est l'air. Les effets observés quant à l'oxydation de la bobine métallique lors du traitement thermique sont identiques à ceux observés dans le cas de la bobine A et dans l'exemple 1. Dans ce cas cependant, le défaut de coloration n'apparaît pas. La bande est d'une couleur gris clair uniforme, identique à celle observée dans l'exemple 1. D'autre part, des observations au microscope électronique montrent que les cristallites de magnésium présentes en surface de bande ont des formes géométriques hexagonales bien nettes et déterminées, de même que dans la zone claire de la bobine A.

Les bobines A et B ayant été traitées l'une après l'autre dans la même installation de recuit, le seul élément original de cette dernière expérience est l'atmosphère de recuit, tous les autres paramètres restant inchangés (bande d'acier, revêtements de zinc et de magnésium, caractéristiques thermiques du recuit). Le fait d'effectuer le traitement thermique à l'air a donc eu pour effet de neutraliser les effets thermochimiques responsables de l'apparition du défaut de coloration observée sur la bobine A (élimination des agents polluants...).

II a ainsi été montré que, dans le cas d'un traitement thermique de diffusion sur installation industrielle, le fait d'utiliser un gaz oxydant tel que l'air en lieu et place d'un gaz inerte comme atmosphère de recuit permet de neutraliser les effets thermochimiques liés à la présence d'agents polluants (issus par exemple des utilisations précédentes de l'installation) et pouvant conduire à l'apparition d'un défaut de coloration sur le produit final. Il est donc en particulier possible de réaliser le procédé selon l'invention sans inertage.

L'invention rend possible la réalisation de revêtements comprenant des alliages à partir de dépôts multi-couches, sans avoir à investir dans un complexe et coûteux dispositif de diffusion au défilé. L'espace nécessaire en ligne de revêtement est alors réduit de l'ordre de 50% par rapport à un équipement effectuant le recuit en ligne. L'invention est donc particulièrement adaptée aux nouveaux produits à appliquer sur une ligne de production existante, quand le volume de production est faible ou quand la courbe de démarrage est longue et lente.

L'invention utilise un traitement thermique en statique de temps plus long et à plus basse température de ce qui doit être atteint sur une ligne en continu. L'invention permet l'utilisation d'outils compacts pour réaliser la diffusion. Elle minimise, voire supprime, la consommation en gaz d'inertage, et minimise la consommation en énergie à la tonne (ainsi que la puissance à installer) en abaissant la température du cycle de diffusion, ce qui rend le traitement compatible à une large gamme de produits sidérurgiques et nuances d'acier. L'invention permet d'utiliser les recuits bases ou des outils de production similaires pour réaliser l'alliation nécessaire à la réalisation du produit final. L'utilisation d'outils de recuit base existants permet de réduire le coût d'investissement de l'ordre de 30% (pris sur un investissement incluant le dépôt et le traitement thermique) et donne ainsi la possibilité de décider d'investir et de lancer sur le marché des nouveaux produits à durée de vie plus réduite ou à volume cumulé inférieur.

La combinaison de procédés rend possible la réalisation de revêtements multicouches novateurs. Combinés à un traitement thermique de

diffusion, ceux-ci peuvent donner naissance à un alliage conférant au produit revêtu des caractéristiques de surface intéressantes.

Il faut alors soit construire une nouvelle installation de production, soit compléter une installation de production existante. Ce second cas est plus opportun à condition qu'il combine dans l'alliage un métal déjà déposé à l'aide de l'installation existante et que l'installation ait les disponibilités en place et en capacité pour assurer la nouvelle production.

La présente invention vise en particulier à l'obtention de revêtements de zinc-magnésium, mais ne se limite pas à ces revêtements et englobe tout revêtement à base de métal oxydable ou d'alliage oxydable.