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Galvanisation des aciers alliés : de l’ingénierie du mouillage Zn/oxyde à la compréhension des processus d’oxydation

R. Lazzari, G. Cabailh, J. Jupille, S. Chenot, C. Noguera, J. Goniaksowski Collaboration avec le centre de recherche d’ArcelorMittal, Maizières-les-Metz

Les contraintes environnementales d’allégement des automobiles, pour réduire les émissions de CO2 des moteurs thermiques ou pour augmenter l’autonomie des voitures électriques, poussent les sidérurgistes à développer de nouvelles nuances d’acier à haute-limite d’élasticité (AHSS : Advanced High-Strength Steel) enrichies en éléments d’alliage légers (Al, Mn, Si). Lors du recuit de recristallisation des tôles après laminage des brames, ces éléments d’alliage très électropositifs ont tendance à ségréger en surface et à s’oxyder, ceci malgré l’atmosphère du four qui permet la réduction des oxydes de fer. En raison du mauvais mouillage métal/oxyde, ces oxydes superficiels d’alumine ou de silice nuisent à l’adhérence ultérieure du revêtement sacrificiel de zinc anticorrosion. Pour pallier à cet inconvénient présent dans les lignes de galvanisation à chaud en continu où la bande d’acier est trempée directement dans un bain de zinc fondu, les industriels ont développé des technologies de dépôt sous vide du zinc (Jet Vapor Deposition). Face à ces problématiques d’adhésion, deux stratégies sont possibles :

  • Trouver les leviers d’action pour favoriser le mouillage sur les oxydes existants ;
  • Mieux comprendre les processus d’oxydation pour pouvoir passer d’une processus externe vers un processus interne pour favoriser un contact zinc/acier.

Dans ce contexte très général et en collaboration étroite avec ArcelorMittal-Maizières-Research, l’équipe « Oxydes en Basses Dimensions » de l’INSP apporte tout son savoir-faire sur ces problèmes d’ingénierie des interfaces en explorant les concepts fondamentaux sous-jacents sur des systèmes modèles bien choisis.

Le rôle de l’environnement, de la polarité, de la terminaison, de l’hydroxylation de surface [T1,P1,1,3] et des couches tampons de métaux de transition [T2,P1,2,4,8,B1] sur le comportement au mouillage du zinc sur les surfaces -Al2O3(0001) a été exploré tant sur le plan expérimental que théorique. Des situations pour lesquelles la rupture passe d’interfaciale à cohésive ont ainsi pu être isolées et rationalisées sur la base de calculs ab initio. Ces concepts ont été généralisés au cas des silicates [P2,9]. Sur des cristaux modèle Fe0.85Al0.15 de composition représentative des aciers alliés ferritiques, les effets d’orientation [(110),(100),(111)] et d’environnement sur la tendance à la ségrégation et l’oxydation superficielle ont été abordés au travers d’un approche de science des surfaces combinant microscopie, diffraction et photoémission [T3,P3,5,7,10,12]. En parallèle, les théoriciens ont entrepris une exploration systématique de la richesse des structures de films ultra-minces d’alumine [P3,11,12]. L’idée à terme est de comprendre les briques élémentaires constitutives de ces oxydes et la transition vers la formation de films plus épais de -Al2O3 comme observée sur les aciers industriels.

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Figure : approche de physico-chimie des interfaces suivie à l’INSP sur la problématique de galvanisation des aciers alliés utilisés pour l‘allègement des automobiles

Thèses

[T1] 2011-2014 : Rémi Cavallotti, Thèse CIFRE, Effets de la terminaison de l’α-alumine sur le comportement au mouillage du zinc
[T2] 2015-2018 : Maya Messaykeh, Thèse Labex Matisse, A fundamental approach of the wetting at Zn/Al2O3 interface : the effect of a Cr buffer
[T3] 2014-2016 : Zongbei Dai, Orientation-dependent segregation and oxidation at Fe0.85Al0.15 random alloy surfaces

Post-docs

[P1] 2016-2018 : Ha-Linh Thi Le, financement ArcelorMittal
[P2] 2018-2020 : Jacopo Baima, financement ArcelorMittal [P3] 2019-2020 : Natalia Alyabyeva et Maxime Van Den Bosche, ANR Surfox

Publications

[1] Role of surface hydroxyl groups on zinc adsorption characteristics on α‑Al2O3(0001) surfaces : first-principles study, R. Cavallotti, J. Goniakowski, R. Lazzari, J. Jupille, A. Koltsov, D. Loison, J. Phys. Chem. C 118 (2014) 13578
[2] New routes for improving adhesion at metal/α‑Al2O3(0001) interface, R. Cavallotti, H.-L. Thi Le, J. Goniakowski, R. Lazzari, J. Jupille, A. Koltsov, D. Loison, Phys. Chem. Chem. Phys 18 (2016) 3032
[3] Tuning adhesion at metal/oxide interfaces by surface hydroxylation, H.-T. T. Le, R. Lazzari, J. Goniakowski, R. Cavallotti, S. Chenot, C. Noguera, J. Jupille, A. Koltsov, J.-M. Mataigne, J. Phys. Chem. C 121 (2017) 11464
[4] Improving adhesion at the alumina/zinc interface by stainless steel buffers, H.-L Thi Le, J. Goniakowski, C. Noguera, A. Koltsov, J.-M. Mataigne, J. Phys. Chem C 121 (2017) 25143
[5] Self-organized carbon-rich stripe formation from competitive carbon and aluminium segregation at Fe0.85Al0.15(110) surfaces, Z. Dai, P. Borghetti, Y. Mouchaal, S. Chenot, P. David, J. Jupille, G. Cabailh, R. Lazzari, Appl. Surf. Sci. 444 (2018) 457
[6] Role of surface hydroxylation on adhesion at zinc/silica interfaces, H.-L Thi Le, J. Goniakowski, C. Noguera, A. Koltsov, J.- M. Mataigne,Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 15581
[7] Aluminium segregation profiles in the (110), (100) and (111) surface regions of the Fe0.85Al0.15 random body-centered cubic alloy, Z. Dai, P. Borghetti, S. Chenot, P. David, J. Jupille, G. Cabailh, J. Goniakowski, R. Lazzari, Appl. Surf. Sci. 492 (2019) 886
[8] Chromium adsorption reveals a persistent hydroxylation of vacuum-annealed α‑Al2O3(0001), M. Messaykeh, J. Goniakowski, G. Cabailh, J. Jupille, R. Lazzari, P. Lagarde, N. Trcera, J. Phys. Chem. C 123 (2019) 29245
[9] Surface thermodynamics of silicate compounds : the case of Zn2SiO4(001) surfaces and thin films, J. Baima, J. Goniakowski, C. Noguera, A. Koltsov, J.-M. Mataigne, Phys. Chem. Chem. Phys., 21 (2019) 13287
[10] Al-rich Fe0.85Al0.15(100), (110) and (111) surface structures, Z. Dai, N. Alyabyeva, P. Borghetti, S. Chenot, P. David, A. Koltsov, G. Renaud, J. Jupille, G. Cabailh, R. Lazzari, App. Surf. Sci 509 (2020) 155312
[11] Understanding the structural diversity of freestanding Al2O3 ultrathin films through a DFTB-aided genetic algorithm, M. Van Den Bossche, J. Goniakowski, C. Noguera, Nanoscale 12 (2020) 6153
[12] The oxide at the Al-rich Fe0.85Al0.15(110) surface, Z. Dai, N. Alyabyeva, M. Van den Bossche, P. Borghetti, S. Chenot, P. David, A. Koltsov, G. Renaud, J. Jupille, G. Cabailh, C. Noguera, J. Goniakowski, R. Lazzari, (2020) soumis

Brevet

[B1] A coated metallic substrate and fabrication method, PCT/IB2017/000668, Inventeurs : Arcelor-Mittal, UPMC-CNRS (2017)