Mouillabilité de surfaces hétérogènes (fer/oxyde) par un alliage de zinc liquide

Wettability of heterogeneous surfaces (iron / oxide) by an alloy of liquid zinc

• Auteur / Autrice : Jules Diawara
• Direction : Marie-Laurence Giorgi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 21/10/2011
• 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 : Jean-Hubert Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Laurence Giorgi, Yves Bienvenu, Fiqiri Hodaj, Jean-Bernard Guillot, Jean-Michel Mataigne, Alexey Koltsov
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Bienvenu, Fiqiri Hodaj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Carrosseries

Métaux -- Essais

Mots clés libres

Mouillabilité

Angle de contact

Surface hétérogène

Wettability

Contact angle

Heterogeneous surface

Résumé

Le phénomène de mouillage intervient dans de nombreux procédés, parmi lesquels la galvanisation en continu de tôles d’acier pour carrosserie automobile. Dans ce procédé, la tôle est immergée dans un bain de zinc liquide afin de la recouvrir d’une couche protectrice de zinc. Mais avant cela, cette tôle, laminée à froid, est soumise à un recuit sous atmosphère réductrice dans le but d’éliminer l’écrouissage et les oxydes de fer superficiels et favoriser ainsi les réactions de galvanisation. Des nouveaux aciers, dits à haute limite d’élasticité, ont été élaborés afin d’améliorer la sécurité passive des véhicules sans trop augmenter leur masse et leur consommation de carburant. Ces aciers contiennent des teneurs élevées en éléments d’addition oxydables qui, lors du recuit, diffusent de la masse de l’acier vers la surface où ils forment des particules d’oxydes qui ne sont pas mouillées par le zinc liquide. Il parait donc important de comprendre le mouillage par le zinc liquide de surfaces hétérogènes, composées de fer métallique et d’oxydes. Pour cela, nous avons étudié l’étalement d’une goutte de zinc liquide, à des temps très courts, à l’aide d’une caméra rapide dans un dispositif de chute de goutte. Nous avons mené nos expériences sur des alliages fer – silicium et un acier industriel, recuits à haute température avant le dépôt de la goute, ce qui a permis d’obtenir un taux de couverture par les oxydes variant de 0 à 100%. Le mouillage est décrit à l’aide de deux paramètres : le diamètre d’étalement et l’angle de contact. Nous nous sommes attachés à la compréhension et à la modélisation de l’évolution de ces deux paramètres aux cours des premiers instants de contact et en fin d’étalement. Nous avons, en particulier, mis en évidence l’influence du taux de couverture par les oxydes et de l’énergie cinétique initiale de la goutte. Le manuscrit se termine par une extrapolation des résultats de mouillage obtenus pour les surfaces hétérogènes modèles à des substrats recuits dans des conditions voisines du recuit continu industriel

Wetting phenomenon takes place in several processes among which continuous galvanizing of steel sheet for car bodies. In this process, the steel sheet is immersed in a zinc bath in order to cover it with a protective zinc layer. But before that, the cold rolled steel sheet is annealed in a reducing atmosphere in order to eliminate the cold working and the superficial iron oxides improving thereby the galvanizing reactions. New steels, called advanced high strength steels, have been developed in order to improve vehicle safety without increasing their weight and therefore fuel consumption. These steels contain high amounts of oxidizable alloying elements that segregate during the annealing to the surface where they form oxides particles that are not wetted by liquid zinc. Therefore it seems important to understand the wetting by liquid zinc of heterogeneous surfaces composed by metallic iron and oxides. For this purpose, we studied the spreading of liquid zinc droplet at very short time using a high speed camera by means of a dispensed drop apparatus. In our experiments we have used different iron – silicon alloys and a commercial steel, annealed at high temperature before the wetting experiments, leading to surface coverage by oxides lying from 0 to 100%. Wetting is described using two parameters: the spreading diameter and the contact angle. We have focused on the comprehension and modelling of the evolution of these two parameters during the first time of contact and at the end of spreading. The influence of both the surface coverage by oxides and the initial kinetic energy of the droplet has been investigated. The results obtained for the wetting of the model heterogeneous surfaces are extrapolated to substrates annealed in the same conditions as in industrial continuous annealing.