CARACTERISATION DES COUCHES GALVANISEE OBTENUES PAR DIFFERENTS TEMPS D’IMMERSION A CHAUD D’UN ACIER A BAS CARBONE

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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CARACTERISATION DES COUCHES GALVANISEE OBTENUES PAR DIFFERENTS TEMPS D’IMMERSION A CHAUD D’UN ACIER A BAS

CARBONE

L.Darsouni¹, A.Khettache¹, S.Atailia1, N.Ghezaili², H. Djaballah², M. Baccouche¹

1: Laboratoire LM2PM, Département de Métallurgie, Université Badji Mokhtar Annaba, BP 12 Annaba 23000 Email : [email protected]

2: Entrerise Prortuil Berrahal, Zone Industrielle Berrahal BP 04A-Berrahal-Annaba

RESUME :

Ce travail est basé sur l’étude de formation et de caractérisation des composés intermétalliques des couches de galvanisation à chaud. Ces composés sont généralement des solutions solides zinc-fer formées sous l’effet des mécanismes de diffusion – précipitation entre le bain de l’alliage de zinc et le fer de substrat d’acier. Cet effet pourra être favorisé par une énergie environnant conditionnée par les paramètres désirés qui sont le temps d’immersion et la température de traitement. La caractérisation physique, chimique, structurale et mécanique trouvera son essor lors de cette étude.

En effet, la caractérisation combinée par diffraction des rayons X en incidence rasante, la microscopie électronique à balayage et l’analyse EDAX, nous a révélé essentiellement, la présence en extrême surface d’une fine couche d’oxyde de zinc suivie de la phase Eta, puis de la phase Zêta et enfin de la phase Gamma.

On note aussi la présence du composé intermétallique Fe11 Zn40. A signaler, que la formation des ces couches est observée pour tous les temps d’immersion imposés à nos échantillons.

La caractérisation par XPS a montré une forte contamination sur la surface de galvanisation.

L’essai électrochimique à montrer une nette amélioration de la résistance à la corrosion de la couche galvanisée en comparaison avec l'acier non revêtu.

Suite à l’essai de pliage on a observé, l’apparition de fissures de différentes taille et nombre sur toutes les éprouvettes utilisées. Nous supposons que, cela peut être lié à la formation des sous couches fragiles. Le procédé de galvanisation à façon doit être réservé de préférence aux pièces ne subissant pas une mise en forme ultérieure. Par contre, il est recommandé pour les pièces utilisables en l'état après leur galvanisation. Ce qui a été confirmé par des observations constatées dans d'autres travaux.

Mots clés : galvanisation, diffusion, précipitation, composés intermétalliques, acier, zinc.

INTRODUCTION

Grâce à son bas coût de fabrication, ces bonnes propriétés mécaniques et thermiques, l’acier a pris une place prépondérante dans notre vie. Cependant, l'acier est sujet au problème de corrosion, pour ces raisons, il est généralement protégé par de différents procédés, soit en modifiant sa composition (acier inoxydable), soit en le recouvrant d'un revêtement (peinture ou couche de galvanisation).

Les galvanisateurs ont ainsi cherché à améliorer le procédé de galvanisation tout en s'adaptant à l'évolution des aciers en ajoutant au bain de zinc de nouveaux éléments d'alliage, ou en modifiant le mode opératoire (temps d'immersion, traitement thermique en sortie du bain).

Notre travail fait partie du projet PNR inscrit au laboratoire LM2PM avec Protuil Berrahal de Annaba comme partenaire industriel. L’objectif essentiel de ce travail est de caractériser les couches de galvanisation par immersion obtenues en variant le temps d’immersion.

2 DESCRIPTION DES TRAVAUX REALISES

2.1 Caractérisation de l'acier avant galvanisation

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 46 Nous avons utilisé dans ce travail des échantillons en acier, qui ont été découpé sur des tôles de 4 mm d'épaisseur à l’usine Protuil de Bérrahal Annaba (les bobines ont été importées d’Arcelor Mittal d’Espagne).

La composition chimique est donnée par le tableau 1.

Tableau 1 - Compositions chimiques de l'acier utilisé (En pourcentage%).

Elément

C Mn Si S P Al

Composition 0,05 0,06÷0,08 0,21 0,25÷0,40 0,00 0,01÷0,03 0,00 0,009÷0,03 0,00 0,011÷0,025 0,02 0,02÷0,064

L’observation métallographique de l’acier avant le traitement de galvanisation par immersion montre une structure férritique recristallisée, cette structure est celle d’un acier à bas carbone (0,06%C) (voir figure 1).

Figure 1 : Micrographie du substrat en acier

2.2 Conditions du traitement de La galvanisation à chaud

Le traitement de galvanisation a été réalisé à une température de 450°C, dans un bain qui contient 60Kg/tonne de Zinc, et 2,3 Kg/tonne de Zamak. Les temps d’immersion dans le bain en été choisi de manière à nous permettre de voir l’influence du temps de maintien en immersion sur la qualité du dépôt, pour cela nous avons choisi cinq temps d’immersion: 1minute, 2minute, 3minute, 4minute et 5minute.

3 RESULTATS ET DISCUSIONS

3.1 Analyse métallographique des couches de galvanisation

Des observations métallographiques des couches galvanisées ont été réalisées pour tous les temps de maintien en immersion dans le bain (voir figures 2). Nous remarquons clairement que l’augmentation du temps de maintien en immersion dans le bain favorise l’augmentation de l’épaisseur de la couche galvanisée. Elle passe de 100µm après une minute à 170 µm après 5 minutes d’immersion.

Ferrite

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Figures 2: Micrographies montrant les épaisseurs de la couche de galvanisation avec le temps d'immersion. X 750, sans attaque chimique

Des observations par microscopie optique, nous ont permis de constater l’apparition de quatre phases distinctes suite aux différents temps de maintien en immersion. Ces observations ont été réalisées suite à une attaque au Nital à 4% (voir figures 3).

2min 1min

1min 2 min

3 min 4 min

5 min

100 µm 120 µm

140 µm

170 µm

Couche galvanisée

168 µm

a b

c d

e

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Figures 3: Observation au microscope optique des phases de galvanisation des différents temps d’immersion X300

Ceci, nous a permis de constater que La phase Γ est toujours fine, elle a presque la même épaisseur pour les cinq temps d’immersion. A une minute d’immersion La phase  est très fine, après elle grandie pour arriver à son maximum à 4 min. L’épaisseur de La phase  augmente et atteint son maximum à 4 min après elle diminue à 5 min. L'épaisseur de la phase  augmente pour les temps d’une, deux et trois min, après elle diminue à partir de 4 min. Ces observations montrent que chaque phase peut avoir sa cinétique de croissance.

3.2 Observation au MEB

Les phases obtenues dans les couches de galvanisation pour tous les temps d'immersion, sont illustrées par des observations faites au MEB (voir figure 4).

Figure 4 : Observation au MEB des différentes couches de combinaison 3.3 Diffraction X

L’analyse des spectres de diffraction RX en incidence rasante à faible angle a permis d’identifier les phases formées dans l’échantillon (voir figure 5).

Γ   

4min 3min

5min

Eta (η) Zêta (ζ) Delta (δ)

Gamma (Γ) Acier

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 49 Figure5 : 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. Les résultats RX confirment l’analyse 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.

3.4 Analyse EDAX

Dans le but de saisir la répartition des éléments présents dans le revêtement, un profil d’analyse aux rayons X (EDAX) a été fait en passant de la couche de zinc jusqu’au substrat sur l’échantillon de deux minutes d’immersions.

D’après le tableau 2 nous pouvons constater que la teneur en zinc est élevée en surface avec la présence de l’oxygène ce qui confirme la présence de la couche  et l’oxyde de zinc. Cette teneur diminue en se dirigeant vers le substrat. La teneur en fer diminue en allant vers le revêtement.

Tableau 2 - Résultats de l’analyse EDAX.

On note son absence au niveau de la phase et une faible quantité au niveau de la phase . Le carbone existant dans le matériau diffuse vers la phase ce qui rend le substrat pauvre en carbone.Les pourcentages en poids obtenus par l’analyse EDAX pour les différents éléments sont proches, ce qui confirme l’existence tous simplement d’un dépôt de zinc à la surface.

3.5 Analyse XPS Elément

Echantillon C Ra : 2,173µm

Substrat Phase  Phase 

C 9.56 13.11 11,27

Zn 6.15 68.78 89.28

Fe 84.30 5.66 0,46

O - 12.44 10.72

Si - - -

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 50 L'analyse de la surface par XPS (voir figure 6), de la surface après galvanisation montre une forte contamination sur la surface. Nous notons une faible concentration de Fe, la présence du Carbone C-C, du Zinc et de l'Aluminium. Les composés sont du ZnO (peak Zn2p3/2) et AlOx (peak Al2p), cela ne signifie pas exactement de l' Al₂O₃ . Nous notons aussi la présence de l'Azote (Tableau 3).

Tableau 3 - Composition de la surface en concentration atomique (at.-%).

C N O Al Cl Ca Fe Zn

61.6 2.5 27.6 3.9 0.7 0.5 0.2 3.0

Figure 6 : Spectre XPS de la surface galvanisée 3.6 Comportement électrochimique

Le comportement électrochimique du substrat et des échantillons galvanisés a été étudié dans une solution de 3,5% NaCl. Les résultats obtenus sont présentés par le tableau 4.

Tableau 4 - Paramètres de corrosion obtenus pour les différents échantillons.

Echantillon C

Paramètres de corrosion Vitesse de

corrosion (µm / année)

Densité du courant de corrosion i _corr. (µA/cm²)

Potentiel de corrosion E (i=0), (V)

Résistance de polarisation

Rp (Ω)

Avant galvanisation 1,693 143,6 -1,025 151,3

Galvanisé

T1 436,1 10^-3 42,74 -1,141 508,0

Galvanisé

T2 423,5 10^-3 40,43 -1,148 537,1

Galvanisé

T3 308,3 10^-3 31,79 -1,248 683,0

Galvanisé

T5 337,8 10^-3 31,67 -1,025 685,8

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 51 3.7 Essais de pliage

La figure 8 montre les éprouvettes âpres les essais de pliage effectués pour les cinq temps de galvanisation.

Figure 8: Résultats de l’essai de pliage

L’endommagement est observé clairement pour tous les temps d'immersion. Toutes les fissures sont orientées parallèlement à la ligne de la génératrice du pliage. Une petite influence sur la taille et la quantité de fissures est remarqué avec le changement du temps d’immersion.

4 CONCLUSION

-La caractérisation combinée par diffraction des rayons X en incidence rasante, la microscopie électronique à balayage et l’analyse EDAX, nous a révélé essentiellement, la présence en extrême surface d’une fine couche d’oxyde de zinc suivie de la phase Eta, puis de la phase Zêta et enfin de la phase Gamma. On note aussi la présence du composé intermétallique Fe11 Zn40. La formation des ces couches est observée pour tous les temps d’immersion réalisée.

-La caractérisation par XPS a montré une forte contamination sur la surface de galvanisation.

-L’ essai électrochimique à montrer une nette amélioration de la résistance à la corrosion de la couche galvanisée relativement à l'acier non revêtu.

-Dans l’essai de pliage on ‘a l’apparition de fissures de différentes taille et nombre sur toutes les éprouvettes utilisées. Nous supposons que, cela peut être lié à la formation des sous couches fragiles.

Le procédé de galvanisation à façon sera réservé de préférence aux pièces ne subissant pas une mise en forme ultérieure. Par contre, il est recommandé pour les pièces utilisables en l'état après leur galvanisation.

Ce qui a été confirmé par des observations constatées dans d'autres travaux.