Étude des mécanismes de germination et de croissance d'oxydes sélectifs sur un acier ferritique

Study of the nucleation and growth of selective oxide particles on a ferritic steel

• Auteur / Autrice : Amélie Ollivier
• Direction : Jean-Bernard Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 13/02/2009
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Alain Galerie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Bernard Guillot, Marie-Laurence Giorgi, David Balloy, Dominique Chatain, Sébastien Chevalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier ferritique

Galvanisation

Oxydation

Recuit des métaux

Mots clés libres

Oxydes sélectifs

Croissance

Germination des précipités

Selective oxides

Nucleation

Résumé

Le procédé de galvanisation en continu consiste à recouvrir les tôles d'acier d'un revêtement de zinc en les immergeant dans un bain métallique fondu. Lors du recuit continu à 800 °C sous atmosphère N2-H2 qui précède l'immersion de la tôle dans le bain, la structure de l'acier est recristallisée et les oxydes de fer sont réduits. Il se produit en même temps la ségrégation et l'oxydation des éléments d'alliages moins nobles que le fer qui peut être à l'origine de défauts de revêtement. A fin de mieux comprendre les réactions d'oxydation sélective qui se produisent à la surface et en profondeur de l'acier, nous avons étudié la germination et la croissance d'oxydes sélectifs sur un acier ferritique. La germination des précipités a lieu à une température voisine de 700 °C. L'analyse du comportement géométrique moyen des particules externes formées en surface met en évidence la croissance des précipités au cours du recuit. Le diamètre des particules augmente tandis que leur densité surfacique diminue. Les oxydes formés sont principalement MnO, SiO2, Mn2SiO4, MnAl2O4 et B2O3. L'orientation des plans joue un rôle important sur l'oxydation externe. La germination est observée sur des surfaces {111} puis sur des surfaces {100}. L'énergie de surface, différente d'un plan cristallin à l'autre, intervient dans ce mécanisme. On observe une différence notable sur le comportement géométrique des précipités entre les principaux plans cristallins du fer. La croissance des précipités est plus avancée (la densité surfacique des précipités est faible et leur diamètre équivalent est grand) sur les plans {111} et {211} que sur les plans {110}. Le plus grand nombre de petites particules est obtenu sur les plans {100}. Un modèle simplifié adapté aux profils de concentrations en manganèse et en silicium en profondeur permet de déterminer les coefficients de diffusion de Mn et Si caractéristiques de l'oxydation sélective de notre acier. Les valeurs des coefficients de diffusion apparents obtenus prennent en compte la diffusion dans les joints de grains et dans les dislocations, présents en grand nombre dans l'acier initialement laminé à froid.

Continuous galvanizing process involving immersion in a molten zinc bath is commonly used to form zinc coatings on steel sheets. Before hot-dip galvanizing, the steel sheets are annealed at a temperature of 800 °C in a N2 atmosphere containing 5 vol.% of H2, with only traces of water. This heat treatment is used to recrystallize the steel substrate and to reduce the iron oxides in order to improve the wettability by liquid zinc. At the same time, the less-noble alloying elements of the steel preferentially oxidize and di_use towards the surface. The aim of this study is a better understanding of selective oxidation of ferritic steels. Nucleation is observed at a temperature of 700 °C. The measurements of the geometrical characteristics of the precipitates show that their diameter increases and the number of precipitates per unit surface area decreases during annealing. The oxide particles are found to be composed of MnO, SiO2, Mn2SiO4, MnAl2O4 and B2O3. External oxidation is also dependent on the crystallographic orientation of the substrate. Nucleation on {111} faces takes place earlier than nucleation on {100} faces. Surface energies can explain this observation. There is a difference in geometrical characteristics of the external particles on grains of main planes of body-centered cubic iron substrate. Growth on {111} and {211} orientation planes is ahead (surface density is lower and equivalent diameter is higher) of growth on {110} grains. The smallest number of particles is found on {100} grains. Diffusional information are calculated from obtained depth concentration profiles by means of simple models. Calculated global diffusion coefficients take into account diffusion in grain boundaries and in dislocations. Cold rolling steels contain lots of these easy paths of diffusion.