Galvanisation

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[1] le 10 mai 1837 pour cette méthode de galvanisation à chaud[2]. 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[3].

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[4], 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[5].

Plusieurs procédés industriels peuvent être utilisés pour galvaniser une pièce[6] :

• la galvanisation à chaud par immersion. Ce procédé permet aussi la galvanisation en continu de tôles d'acier[7] et la galvanisation à chaud par centrifugation[8] ;
• 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.

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.

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 petites 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.

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 ;

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

• 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)
• La galvanisation à chaud - une application universellement employée
• Réussir la prescription de la galvanisation à chaud
• La galvanisation à chaud, une protection idéale pour l'acier
• La galvanisation à chaud un procédé industriel et technologique performant
• Galvanisation et construction durable - Guide à l'attention des prescripteurs
• Conseils aux utilisateurs de la galvanisation à chaud

• Documentations et fiches techniques de Galvazinc
• La galvanisation selon Construiracier
• Les publications du CEFRACOR
• The International Zinc Association
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