INFLUENCE DE L’ETAT DE SURFACE SUR LA FORMATION DE PHASES FER-ZINC LORS DE LA GALVANISATION A CHAUD
Atailia Sihem1, Khettache Abdelkader1, Ramdane Nora1 , Hayette2, Malek Samira2, Baccouche Mostefa1, Ouanas Lakhdar2
1: Laboratoire de métallurgie physique et propriétés des matériaux faculté des sciences de l’ingéniorat université d’Annaba sihem.atailia@hotmail.fr
2: Protuil Berrahal Annaba protuil@hotmail.com
Résumé :
Le revêtement galvanisé n’est pas un simple dépôt de zinc à la surface de l’acier comme une peinture. Il s’agit réellement d’une réaction métallurgique de double diffusion entre le zinc et le fer.
Cette diffusion conduit à la formation de couches d’alliages Fe-Zn composés intermétalliques.
- d’une ou plusieurs couches de composés intermétalliques dépendant du bain et du procédé technologique ;
- d’une couche de zinc externe, zinc entraîné au retrait de la pièce par capillarité.
Les échantillons ont étés découpés d’une tôle laminée à chaud et bobinée (590° et 630°C) suivi d’un laminage a froid. Nous leurs avons conféré six rugosités, un échantillon miroir et un échantillon grenaillé.
Les valeurs des rugosités de 0.05 à 11.23µm.
Après le traitement de surface, les échantillons galvanisés à chaud à une température 440 à 480°C pendant deux minutes.
La caractérisation combinée par diffraction des rayons X en incidence rasante, la microscopie électronique à balayage et l’analyse EDAX, ont révélé essentiellement la présence en extrême surface d’une fine couche d’oxyde de zinc suivie de la phase η(FeZn) d’une épaisseur de 40 à 100µm, ensuite la phase ζ(FeZn13) avec une épaisseur comprise entre 38 et 49µm, et à la fin la phase Γ2(Fe5Zn21) très fine avec une épaisseur entre 3,5 et 5µm. On note aussi la présence du composé intermétalliqueFe11Zn40 et de l’oxyde de silicium SiO2.
Dans le cas de l’échantillon grenaillé, on a observé un revêtement présentant tout simplement un dépôt de zinc à la surface sans formation apparente de phases intermédiaires Fe-Zn
Mots clés : Galvanisation, zinc, diffusion, corrosion.
La protection par barrière est sans doute la méthode la plus ancienne et la plus largement répandue pour lutter contre la corrosion. Le revêtement de zinc appliqué permet d’isoler physiquement l’acier de l’action corrodant de l’atmosphère. Mais la protection par barrière se fait également grâce aux produits de corrosion du zinc, qui forment à leur tour une couche protégeant le substrat en acier de la corrosion.
En effet le zinc possède la particularité de s'oxyder rapidement en présence d'agents oxydants et de former ainsi des ionsZn(Zn2eZn). Ces ions émis vont ensuite réagir avec les différents éléments présents dans l'atmosphère environnante pour former une série de produits de corrosion peu solubles et jouant un rôle protecteur. Le zinc forme alors :
- Avec l'oxygène, une fine couche d'oxyde de zinc, ZnO ; - En présence d'humidité, un hydroxyde de zinc, Zn (OH) 2 ;
- Avec le dioxyde de carbone, une couche de carbonate de zinc compact, Zn CO3 ; - de l'hydroxycarbonate, Zn5 (CO3)2(OH) 6.
Grâce à son rôle sacrificiel, le zinc permet également une protection cathodique contre la corrosion.
Le principe de la protection cathodique est fondé sur l’apport d’un nouvel élément plus électronégatif que l’acier dans la série galvanique.
Pour déterminer les couches de combinaison nous avons utilisé la microscopie optique, la diffraction rasante des rayons X, la microscopie électronique à balayage et l’EDAX.
Analyse aux rayons X :
L’analyse des spectres de diffraction RX a permis d’identifier les phases formées dans les échantillons galvanisés.
La figure 1 montre le spectre de diffraction X obtenu dans les conditions de diffraction rasante dont le but est de saisir toutes les phases formées en extrême surface et les couches sous jacentes.
Figure 1 : Spectre de diffraction RX de l’acier galvanisé dans les conditions de diffraction rasante.
On note la présence de monoxyde de zinc ZnO qui n’a pas été aperçu lors de l’observation MEB mais dont la présence d’oxygène a été détectée par l’EDAX..
On observe des pics très intenses qui correspondent parfaitement aux plans de diffraction des phases η – Zn, ζ -FeZn13, Г - Fe5Zn21en plusieurs angles.
Ces phases forment la couche de combinaison, on note aussi la présence du SiO2et du composéFe11Zn40
Microstructure des couches galvanisées :
Le traitement de galvanisation réalisé à la température 450°C pendant une immersion rapide de deux (02) minutes a produit un revêtement d'une succession de couches de composés intermétalliques Fe-Zn suivies d'une couche finale de zinc externe.
Figure 2 : Observation MEB de la coupe transversale d’un échantillon galvanisé
Figure 3 : Observation MEB de la coupe transversale à différents grossissements d’un échantillon galvanisé
Analyse EDAX :
Pour confirmer ces phases nous avons pratiqué un profil d’analyse EDAX sur les coupes transversales d’échantillons en passant de la couche de zinc jusqu’au substrat (figure 4). Nous avons donc pu confirmer la présence des couches de combinaison dans tous les échantillons, sauf l’échantillon grenaillé.
Figure 4: Analyse EDAX d’un échantillon galvanisé
Figure 5 : Analyse EDAX d’un échantillon galvanisé
Echantillons grenaillés
Contrairement aux autres échantillons, les échantillons grenaillés ne présentent pas de couches de combinaison. Le zinc se trouve sous forme de dépôt sur le substrat ce qui a été confirmé par les analyses EDAX .
Cette « non formation » des couches de combinaison peut-être due aux contraintes superficielles engendrées par l’impact des grenailles d’une part, et une probable mauvaise mouillabilité engendrée par les creux causées à la surface.
Figure 6 : Observation MEB de la coupe transversale à différents grossissements de l’échantillon grenaillé
Les résultats de l’analyse EDAX de l’échantillon grenaillé, sont représentés ci-dessous par la figure7
Figure 7 : Analyse EDAX de l’échantillon grenaillé et galvanisé à différentes zones de prélèvement.
Les phases trouvées dans tous les échantillons a part les grenaillés, est illustrée par des métallographies prises au MEB (figure8).
Figure 8 : Observation MEB des différentes couches de combinaison
Le traitement de galvanisation a produit un revêtement d'une succession de couches de composés intermétalliques Fe-Zn suivie d'une couche finale de zinc externe entraîné en sortie de bain par capillarité.
Cette succession de sous-couches provient de l'inter diffusion mutuelle du fer de la tôle d'acier, et du zinc du bain de galvanisation.
Comme le montre les résultats de la diffraction des rayons X en incidence rasante à faible angle, ces couches sont constituées des phases Γ ζ η et le composéFe11Zn40.
Après une fine couche d’oxyde ZnO, On distingue alors successivement les phases suivantes :
• La phase Γ2 (Fe5 Zn21) : la phase Γ est toujours très fine et difficile à visualiser. Elle possède une structure cubique à face centrée et une composition en fer comprise entre 17 et 19,5 masses % à 450°C.
C’est la phase dont la dureté est la plus élevée (505HV).
• La phase ζ (FeZn13) : la phase ζ est sous forme de bâtonnets perpendiculaires au métal support. Elle possède une structure monoclinique et contient approximativement 5 à 6 masse % en fer. Cette phase peut atteindre 50 % du revêtement avec une dureté de l’ordre de 112HV.
• La phase η (Zn) : la phase η possède une structure hexagonale de dureté de l’ordre de 70 HV. Lorsque l'on retire l’acier du bain, il y a entraînement du zinc qui se solidifie à la surface des composés intermétallique fer-zinc formant ainsi la couche η.
Conclusion
Le revêtement galvanisé n’est pas un simple dépôt de zinc à la surface de l’acier comme pourrait l’être par exemple une peinture. Il s’agit réellement d’une réaction métallurgique de double diffusion entre le zinc et le fer.
Cette diffusion conduit à la formation de couches d’alliages Fe-Zn composés intermétalliques.
- d’une ou plusieurs couches de composés intermétalliques dépendant de la nature du bain et du procédé technologique ;
- d’une couche finale de zinc externe, zinc entraîné au retrait de la pièce par capillarité.
Après le traitement de préparation de surface, les échantillons ont été immergés dans un bain de galvanisation à chaud à une température comprise entre 440 et 480°C pendant deux minutes (02 min).
La caractérisation combinée par diffraction des rayons X en incidence rasante, la microscopie électronique à balayage et l’analyse EDAX, nous avons révélé essentiellement la présence en extrême surface d’une fine couche d’oxyde de zinc suivie de la phase d’une épaisseur de 40 à 100 µm, en suite la phase 13) avec une épaisseur comprise entre 38 et 49 µm, et à la fin la phase (Fe5
Zn21) très fine avec une épaisseur entre 3,5 et 5 µm. On note aussi la présence du composé intermétallique
40 11Zn
Fe et de l’oxyde de silicium SiO2.
Dans le cas de l’échantillon grenaillé, on a observé un revêtement présentant tout simplement un dépôt de zinc à la surface sans formation apparente de phases intermédiaires Fe-Zn avec une présence de fissures allant vers l’intérieur de l’acier. A notre avis cela est du à l’état de contrainte élevé engendré par le grenaillage.
Références
[1] R. Fourmentin «Modélisation thermodynamique du système Fe-Zn-Al-Cr A 460°C et son impact sur les procédés de galvanisation » (2004).
[2] B.Schmitz M. Larnicol Influence des paramètres process sur la chimie de surface des aciers galvanisés et impact sur leur réactivité vis-à-vis des traitements de conversion. GIS- journée thématique corrosion 06.06.2008.
[3] R. Marder “The metallurgy of zinc-coated steel” Progress in Materials Science 45 (2000) [4] D. Quantin, “Galvanisation à chaud”, Technique de l’ingénieur, M1534, 1-28, (2003)
