Galvanisation

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Galvanisation d'un métal pour le protéger de l'oxydation.

La galvanisation est l'action de recouvrir une pièce d'une couche de zinc dans le but de la protéger contre la corrosion. Le traitement est dit anticorrosif. Le mot vient du nom de l'inventeur Luigi Galvani (1737-1798), physicien et médecin italien ayant découvert le galvanisme le 6 novembre 1780.

Dans l'industrie, ce terme désigne essentiellement les procédés de « galvanisation à chaud au trempé ».

Introduction

Histoire

Les premiers brevets de galvanisation à chaud au trempé (par trempage de l'ensemble des éléments) datent des années 1840. L'ingénieur français Stanislas Sorel obtient un brevet le 10 mai 1837 pour cette méthode de galvanisation à chaud. En 1837, le physicien et ingénieur allemand naturalisé russe Moritz Hermann von Jacobi découvre la galvanoplastie à Saint-Pétersbourg. En 1854, l'industriel et chimiste Léopold Oudry crée un atelier électrochimique à Auteuil, au 10 de la rue Cuissard (aujourd'hui rue Félicien-David). Il réussit à cuivrer durablement des petites pièces puis, en modifiant son procédé, il obtient la commande de cuivrage galvanique de tous les objets et monuments en fonte de la ville de Paris, et en particulier plusieurs fontaines.

Principe chimique

Le principe est celui de la protection cathodique par anode sacrificielle :

le zinc a une tendance anodique plus forte que l'acier et va donc s'oxyder à la place de l'acier qu'il protège, même dans le cas où l'acier est exposé au milieu extérieur (griffure). La réduction du dioxygène a lieu sur l'acier et le zinc est oxydé, les électrons pouvant circuler entre le zinc et l'acier ;
le zinc ayant une cinétique d'oxydation environ 25 fois plus lente que celle de l'acier, l'oxydation est retardée.

Les différents procédés

Plusieurs procédés industriels peuvent être utilisés pour galvaniser une pièce :

la galvanisation à chaud par immersion. Ce procédé permet aussi la galvanisation en continu de tôles d'acier et la galvanisation à chaud par centrifugation ;
la shérardisation (sherardizing) : projection de poudre de zinc fondue ;
l'électrozingage ;
la projection thermique (thermal spray) ;
la matoplastie.

Il est à noter que, quel que soit le procédé choisi, il faut préalablement nettoyer la pièce à galvaniser (des graisses, oxydes, calamine, poussières, etc.), sans quoi le zinc se déposerait mal (ou pas du tout) sur les parties « sales », rendant la galvanisation sans effet.

Zingage à chaud

La galvanisation à chaud, ou plus exactement la « galvanisation à chaud au trempé », est une technique de l'industrie de la métallurgie qui est utilisée pour protéger contre la corrosion une pièce d’acier à l'aide de zinc. Ce procédé donne au revêtement protecteur de l'adhérence, de l'imperméabilité, et de la résistance mécanique. Une pièce traitée par la galvanisation est dite galvanisée.

Principes chimiques

La galvanisation à chaud au trempé consiste à revêtir et à lier de l'acier avec du zinc en immergeant l'acier dans un bain de zinc en fusion à 450 °C environ.

Galvanisation à chaud (immersion)

Ce procédé ne consiste pas uniquement à déposer du zinc sur quelques micromètres à la surface de l'acier. Le revêtement de zinc est chimiquement lié à l'acier de base, car il se produit une réaction chimique métallurgique de diffusion entre le zinc et le fer ou l'acier à 450 °C. Quand on retire l'acier du bain de zinc, il s'est formé à sa surface plusieurs couches d'alliages zinc-fer sur lesquelles le zinc entraîné se solidifie. Ces différentes couches d'alliages, plus dures que l'acier de base pour certaines, ont une teneur en zinc de plus en plus élevée au fur et à mesure que l'on se rapproche de la surface du revêtement. Le traitement doit être conforme à la norme ISO 1461 (« Revêtements par galvanisation à chaud sur produits finis en fonte et en acier »).

Il existe en 2014 environ 55 sites industriels de galvanisation à chaud en France. Ils galvanisent environ 600 000 tonnes d'acier par an, dont 45 % pour le bâtiment (charpentes, métallerie, éléments de garde-corps, etc.). Les autres usages concernent le mobilier urbain (éclairage public, signalisation, barrières et glissières de sécurité), l'énergie, les transports (dont les porte-caténaires) et divers supports, en particulier dans les piscines ou en mer, c’est-à-dire dans un environnement humide particulièrement agressif et/ou contenant du chlore, dans les usines de traitement des eaux ou stations d'épuration ou dans les bâtiments d'élevage, dans une atmosphère acide.

Le procédé de zingage à chaud sur produits finis (à façon)

L'application d'un revêtement de zinc par galvanisation ne se résume pas à l'immersion d'une pièce en acier dans un bain de zinc fondu. La galvanisation de produits finis se déroule en effet par étapes.

Procédé d'application

La galvanisation de produits finis comprend 8 étapes principales :

le dégraissage, qui a pour but d'enlever toutes les salissures et graisses qui empêcheraient la dissolution des oxydes de fer superficiels. Le dégraissage est effectué dans des bains contenant du carbonate de sodium ou de la soude avec addition de détergents et de tensioactifs à 60 °C / 80 °C. Parfois, des dégraissants acides peuvent être utilisés ;
le rinçage, qui est effectué après le dégraissage afin de ne pas polluer les opérations suivantes ;
le décapage, qui a pour but d'enlever la calamine et les autres oxydes présents à la surface de l'acier. Le décapage est effectué dans une solution d'acide chlorhydrique dilué à température ambiante, additionné d'un inhibiteur qui permet d'éviter l'attaque de l'acier lorsqu'il est débarrassé de ses oxydes. Des solutions d'acide sulfurique sont parfois utilisées avec l'inconvénient d'une mise en œuvre à 70 °C nécessitant un chauffage. Un décapage mécanique (grenaillage) peut parfois remplacer le décapage chimique, en particulier dans le cas de la fonte, afin d'éliminer la silice se trouvant en surface ;
le rinçage, également effectué après le décapage afin de laver les pièces des sels de fer et des traces d'acide qui pollueraient l'opération suivante ;
le fluxage, qui permet d'éviter que l'acier ne se ré-oxyde avant l'entrée dans le bain de zinc. La décomposition du flux permet également de favoriser la réaction métallurgique fer/zinc lors de l'immersion de la pièce dans le bain de zinc. Le fluxage est effectué par une solution aqueuse de chlorure de zinc et de chlorure d'ammonium portée à 60 °C ;
le séchage, effectué dans une étuve afin d'éviter les projections de zinc au moment de l'immersion de la pièce ;
le zingage à chaud (feu). Les pièces sont immergées dans le bain de zinc fondu à 450 °C. Les temps d'immersion varient suivant l'importance des charges, des dimensions et de l'épaisseur des pièces : de 3 à 4 minutes pour des pièces de forme simple, et de 10 à 15 minutes pour des ensembles massifs ou des corps creux de grandes dimensions. Pour des raisons environnementales, le plomb autrefois utilisé est désormais remplacé par de l'étain dans les bains de zinc. L'aluminium est également présent (moins de 0,01 %). L'étain est utilisé en raison de sa faculté à favoriser la fluidité du zinc tandis que l'aluminium permet d'éviter l'oxydation superficielle du bain et de favoriser la brillance. D'autres éléments d'addition (nickel, bismuth, par exemple) peuvent également être intégrés dans le bain. Ils agissent, entre autres, sur la réactivité fer-zinc qui a lieu lors de cette opération ;
le refroidissement et le contrôle. Les pièces galvanisées sont refroidies à l'air libre et contrôlées.

Il faut en moyenne de 60 à 70 kilos de zinc pour protéger une tonne d'acier contre la corrosion. La figure suivante représente les différentes étapes de la galvanisation de produits finis.

Une protection anticorrosion qui va au-delà d'un simple dépôt de zinc

Effet protecteur : boîte à lettres rouillée, apposée sur une surface galvanisée.

La galvanisation à chaud ne consiste pas uniquement à déposer du zinc à la surface de l'acier. Le revêtement de zinc est métallurgiquement lié à l'acier de base, car il se produit une réaction métallurgique de diffusion entre le zinc et le fer.

Quand on retire l'acier du bain, il s'est formé à sa surface plusieurs couches d'alliages zinc-fer sur lesquelles le zinc entraîné se solidifie. Ces différentes couches d'alliages plus dures que l'acier de base ont une teneur en zinc de plus en plus élevée au fur et à mesure que l'on se rapproche de la surface du revêtement.

Ainsi, cette spécificité liée au procédé de galvanisation offre au revêtement protecteur adhérence, imperméabilité, et résistance mécanique.

De plus, l'épaisseur de ce revêtement est supérieure à celle obtenue avec les autres techniques de protection.

Une technique qui repose sur un choix pertinent de l'acier

Le revêtement d'une pièce galvanisée à chaud (épaisseur, structure et aspect) varie principalement suivant la composition de l'acier. Sa teneur en silicium et en phosphore joue un rôle important sur sa réactivité vis-à-vis du zinc liquide.

D'où l'importance de bien choisir l'acier que l'on va galvaniser. La norme NF A 35-503 (2008) définit 3 catégories d'aciers aptes à la galvanisation, suivant la teneur de ces deux éléments.

Les aciers de catégorie A et catégorie B sont normalement réactifs : après galvanisation, ils ont un bel aspect uniforme avec des épaisseurs au moins conformes à la norme NF EN ISO 1461.

La Norme AFNOR NF 35-503 : Ce qu'il faut en retenir :

	Aspect	Résistance mécanique du revêtement	Masse de revêtement	Utilisation
Cat. A	Excellent	Excellente	Standard, conforme au minimum de la norme	Recherche esthétique et anticorrosion
Cat. B	Bon	Bonne	Standard, généralement supérieure au minimum de la norme	Recherche anticorrosion et aspect correct
Cat. C	Moyen	Moyenne	Plus forte - pour milieux agressifs	Recherche optimum de protection

Ces éléments sont purement indicatifs.

Les aciers de catégorie C sont plus réactifs : leur aspect après galvanisation est plus mat, avec possibilité de zones grisées marbrées ou rugueuses, sans conséquence sur la tenue à la corrosion. Les épaisseurs atteignent 120 à 200 microns, voire plus. Elles peuvent dépasser 200 microns pour des pièces nécessitant des temps d'immersion plus importants.

( * ) Classification des aciers suivant leur teneur en silicum et en phosphore

Elément %	Catégorie A	Catégorie B	Catégorie C
Si	≤ 0,030	≤ 0,040	0,14 ≤ Si ≤ 0,25
Si +2,5 P	≤ 0,090	≤ 0,110	-
P	-	-	≤ 0,035

Par accord à la commande, l'analyse sur produit peut être effectuée.

Le procédé de galvanisation industrielle (pour la galvanisation des bobines d'acier en continu uniquement)

Schéma de principe

Décapage

Afin de galvaniser une pièce, celle-ci doit être impeccable et dépourvue de saletés (calamine, graisse). Afin de la décaper il existe deux méthodes principales : le décapage à l'acide (chlorhydrique ou sulfurique) et le grenaillage :

le décapage à l'acide consiste en la trempe de la pièce durant quelques heures (en fonction de la teneur en acide du bain de décapage) dans un bain d'acide auquel on ajoute un réactif. C'est la méthode la plus commune car elle permet de décaper plusieurs centaines de kg en une seule opération. Ce procédé est bon marché mais il est inadapté aux pièces de haute qualité (classe 10.9 par exemple) parce que l'acide fragilise la matière ;
le grenaillage est l'envoi de petits granules d'acier de différentes duretés à très haute vitesse sur la pièce. Il est obligatoire sur les pièces de haute qualité. La qualité est meilleure mais le prix de revient est plus élevé et les quantités traitées plus faibles.

Galvanisation et conditionnement (pour la galvanisation en continu uniquement)

Les lignes continues de galvanisation à chaud se composent des éléments suivants :

dérouleuse (alimentation en bobines d'acier) ;
cisaille ;
soudeuse (toutes les bobines sont soudées de manière à assurer la continuité de présence de bande sur la ligne de production) ;
dégraissage (permet d'assurer une bonne adhérence du revêtement à venir) ;
tour à boucle (assure la continuité de l'alimentation en cas d'arrêt de la section d'entrée) ;
four de recuit continu pour assurer la recristallisation de l'acier qui lui conférera de bonnes propriétés mécaniques ;
bain de zinc ;
essorage et séchage ;
skin-pass ;
tour à boucles (assure la continuité du défilement en section centre lors des arrêts de la section sortie) ;
cabine d'inspection (caméra à reconnaissance de formes et contrôle visuel) dont l'objectif est de vérifier la conformité du produit galvanisé (absence de défaut) ;
huileuse et marqueuse ;
cisailles ;
bobineuses ;

Caractéristiques des pièces galvanisées à chaud à façon

L'épaisseur de ce revêtement est supérieure à celle obtenue avec les autres techniques de protection. Par exemple, pour les normes EDF / SNCF en France, l'épaisseur de zinc en surcouche est de 70 µm. La norme EN ISO 1461 impose un minimum de 55 µm pour des aciers d'épaisseur comprise entre 1,5 et 3 mm, 70 µm pour les aciers d’épaisseur comprise entre 3 et 6 mm et 85 µm pour les aciers d’épaisseur supérieure à 6 mm.

La propriété sacrificielle de la galvanisation est un facteur important du choix de ce procédé. En effet si le métal est mis à nu sur une pièce galvanisée à chaud au trempé alors la réaction entre fer (Fe+) et zinc (Zn−) fait en sorte que la partie vive sera cicatrisée par dépôt de sel de zinc.

L'American Galvanizer Association donne comme résistance à la corrosion des métaux galvanisés :

milieu industriel : 65 ans ;
milieu tropical : 70 ans ;
milieu suburbain : 85 ans ;
milieu rural : 120 ans.

À la suite d'un travail mené par l’association Galvazinc, vous trouverez les deux tableaux qui vous indiqueront la durée de vie et la vitesse de corrosion à prévoir suivant les différents environnements auxquels l’acier galvanisé peut être soumis :

industriel ;
marin ;
urbain ;
rural.

La galvanisation à froid n'existe pas

C'est un abus de langage pour l'électrozingage. Ce terme est souvent utilisé pour les peintures aérosol, qui contiennent souvent de la poudre d’aluminium ou de la poudre de zinc en quantité très faible. Avec ce système, il n’y a pas création d’intermétallique, soit une réaction (mélange) entre le fer et le zinc. D’autres industries peuvent aussi utiliser ce terme pour des dépôts de zinc via un procédé électrolytique que l’on appelle l’électrozingage.

Galvanisation par centrifugation

Généralités

La galvanisation à chaud a de tels atouts que son champ d'application continue de s'étendre. De plus en plus de pièces de petites dimensions (pièces de fixation, visserie, tiges filetées, etc.) sont galvanisées à chaud.

La technique mise en œuvre pour ce type de production est la galvanisation par centrifugation, appelée aussi galvanisation par essorage.

Procédés

Au lieu d'être accrochées à des montages ou suspendues sous des balancelles, les pièces à galvaniser sont disposées par lots dans des paniers et sont centrifugées en sortie du bain de zinc. Avantages de la centrifugation :

toutes les qualités traditionnelles de la galvanisation à chaud pour des pièces de petite dimension ;
une qualité de finition remarquable ;
un prix très compétitif ;
une technique unique développée pour la galvanisation des tiges filetées.

Shérardisation

La shérardisation est une méthode inventée par Sherard Cowper Cowles (en) au début du XXe siècle. Ce procédé thermochimique anticorrosion consiste en une diffusion et pénétration du zinc dans l'acier. La shérardisation permet d'obtenir un revêtement de type alliage fer-zinc de deux couches d'alliage fer-zinc, la couche gamma en partie diffusée qui contient 21 à 28 % de fer et la couche compacte delta qui renferme 8 à 10 % de fer.

Processus

Lors de la shérardisation, les pièces en phase solide sont chauffées de 380 à 450 °C dans un caisson fermé animé d'une rotation lente en présence de poudre de zinc et d'un matériau inerte. Les aciers au carbone non allié, les aciers HR, la matière frittée, le fer et la fonte se prêtent très bien à la shérardisation.

Plusieurs post-traitements peuvent être réalisés :

une passivation sans chrome VI, finition grise ;
une finition organo-minérale, finition noire ;
une finition lubrifiée.

Applications

La shérardisation est un traitement anti-corrosion et anti-abrasion, elle répond à de nombreuses applications dans l'industrie :

visserie, boulonnerie classique et de haute résistance ;
chaînes ;
rambardes de sécurité routière ;
industrie navale, marine et sous-marine ;
industrie du bâtiment.

Avantages

La shérardisation a les avantages suivants :

une longue tenue au brouillard salin ;
une forte résistance abrasive ;
une absence de fragilisation par l'hydrogène ;
une bonne adhérence sur la fonte ;
un bon respect des cotes dimensionnelles de la pièce dû à une faible épaisseur du revêtement.

Aspects environnementaux

Selon Galvazinc Association (association des galvanisateurs), l'écobilan du matériau présente un intérêt, car la galvanisation à chaud, bien que consommatrice d'énergie et de produits chimiques est « comparativement à d’autres procédés anticorrosion comme les peintures, énergétiquement 2 fois plus économe, sur une durée de vie considérée de 60 ans grâce à l’absence totale d’entretien nécessaire sur les pièces traitées, sans aucune remise en peinture à faire tous les 15 ans ».
La durée de vie des pièces galvanisées serait également plus longue, notamment dans les milieux les plus agressifs. Cinq paramètres influeraient sur le phénomène — inéluctable — de corrosion : la température, l’hygrométrie, la quantité de précipitations, la concentration en polluants (type SO2) et le taux de chlore. « En fonction de la localité, l’agressivité de l’atmosphère peut diminuer de moitié la durée de vie de la pièce ». Un traitement local à base de peinture duplex spéciale serait toujours possible, afin de prolonger d’une dizaine d’années la durée de vie des éléments exposés.

Sources

Cette définition provient du site de l’association française pour le développement de la galvanisation GALVAZINC (norme ISO 1461) et du site d'un spécialiste en galvanisation Galva Union SA. Ce site propose également des vidéos sur les procédés de galvanisation disponibles dans la médiathèque du site ; voir notamment la vidéo galvanisation à chaud par centrifugation. Voir aussi le site du groupe PRESTIA (membre de Galvazinc) et celui de Galva Atlantique (membre de Galvazinc).

Notes et références

Gallica, « Nouvelle découverte brevetée pour 15 ans. : Procédé Sorel pour la galvanisation du fer », sur gallica.bnf.fr (consulté le 20 février 2020).
Batiactu, La galvanisation, un procédé industriel plus que centenaire mais toujours d’actualité
Hubert Demory, « Les secrets de monsieur Oudry », sur mapage.noos.fr (consulté le 19 février 2020).
« Chardon et Couchoud : protection et traitement contre la corrosion », sur chardon-couchoud.fr via Wikiwix (consulté le 6 octobre 2023).
http://www.progalva.be/documents/bijlagen/tf-20-la-galvanisation-a-chaud-et-la-protection-cathodique.pdf
« Galvazinc - Technologies & procédés des revêtements de zinc », sur galvazinc.com via Wikiwix (consulté le 6 octobre 2023).
http://www.arcelormittal.com/sections/fileadmin/redaction/pdf/Brochures/Galvanisation_FR.pdf
« Galvanisation par centrifugation - GALVA UNION spécialiste en galvanisation », sur Galvanisation et Thermolaquage GALVA UNION (consulté le 15 août 2020).
« ISO 1461:2022 - Revêtements par galvanisation à chaud sur produits finis en fonte et en acier — Spécifications et méthodes d'essai », sur iso.org, août 2022 (consulté le 12 septembre 2022).
Interview de Ludovic Néel (Galvazinc) par batiactu, juin 2012

Voir aussi

Bibliographie

NF EN ISO 1461 Juillet 2009 (Edition : AFNOR)
Le zinc et l’anticorrosion dans les années 1990 (CEFRACOR et Centre du Zinc – Edition SIRPE)
Le zinc est l’anticorrosion – 1993. Essais et performances – Actes du colloque de Saint-Ouen de Mars 1993 (CEFRACOR et Centre du Zinc – Edition : EP - Les éditions de physique)
La galvanisation à chaud (R. Souské – Edition : Dunod)
Corrosion and Electrochemistry of Zinc (Xiaoge Gregory Zhang – Edition : Plenum Press)
Metallographic Atlas Of Zinc (Centre de Recherches Métallurgique – Edition : Centrum voor Research in de Metallurgie Abbaye du Val-Benoît)
Zincatura a caldo – Processo, proprietà applicazioni (Associazione Italiana Zincatura – Edition : pubblicomit Edizioni)
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