Élaboration de revêtements à finalité industrielle à base de verres phosphatés sur métaux

Application à la protection de substrats métalliques vis-à-vis de la corrosion à haute température par le zinc liquide

Obtaining of phosphate glass coating on metals for industrial applications. Application to the metal substrate protection against liquid zonc at high temperature

¹ Département de Génie Chimique, UTC, Compiègne, France
² Centre d'étude des matériaux avancés, Rennes, France Dernière adresse : Laboratoire de Chimie Appliquée, Université de Lille, France
³ Laboratoire des matériaux photoniques, Université de Rennes, France

Résumé

Un problème industriel important concerne la tenue des aciers ordinaires ou spéciaux à la corrosion en milieu industriel. Parmi ceux-ci, l'un des plus difficiles à résoudre concerne leur tenue à des bains de métaux liquides. Dans cette optique, nous avons développé des techniques de revêtements de ces pièces métalliques par des verres de polyphosphates. En effet, s'il est bien connu que pour certaines formulations et plus particulièrement pour les ultra-phosphates, ces verres sont peu résistants à l'agressivité de l'eau, ils s'avèrent par contre résistants vis-à-vis de métaux liquides. L'intérêt de ces revêtements réside également dans le fait que les verres de polyphosphates ont un coefficient de dilatation élevé, proche de ceux des métaux ce qui peut permettre d'amenuiser les phénomènes de faïençage lors de cycles de températures. Pour obtenir ces revêtements nous partons d'un procédé de chimie douce, la coacervation des polyphosphates, proche des procédés solgel. Les coacervats obtenus sont issus de colloïdes, ce qui leur permet d'avoir des propriétés rhéologiques utilisables dans les procédés de revêtement par immersion (trempé) par exemple. Les pièces métalliques ainsi traitées sont chauffées afin d'obtenir le revêtement vitreux. Nous prśentons nos résultats pour le système P₂O₅ - Na₂O - CaO, H₂O avec comme charge des oxydes de fer. Après avoir défini les conditions optimales de formation de ces coacervats, et de leur transformation en verre, nous présentons le contrôle des revêtements par immersion (trempé) et les problèmes d'interfaces qui en résultent après cuisson. Enfin nous présentons le comportement d'acier inoxydable et d'inconel immergés pendant plusieurs mois du zinc fondu à 500 °C. Nous montrons à la fin de cet article que ce procédé peut être transposé facilement en site industriel.

Abstract

Polyphosphates glasses may present some interest for applications in the industry. Actually, if these glasses present some inconvenience about their bad behavior in aqueous solutions, they have a good stability in the presence of gases or molten metals. These properties permit to propose their use for the protection of metal or ceramic materials against molten metal at high temperature. An other interesting property lies in the fact that the CTE of these glasses are in the same order than that of the metals and permit also their use as metal coating. Secondly, these glasses may be obtained by a soft chemistry route. In aqueous chemistry, in presence of multivalent ions, sodium poplyphosphates (Graham salts) give a coacervate, as denser phase, which contains the most part of the polymeric chain. The coacervate presents rheologic properties which permit to coat metal substrates, even with a tortuous shape, by spray, brushing or dipping processes. We present in this paper an industrial application of these glasses as coating. In the zinc industry, it is well known that the liquid zinc induces an important corrosion of the metal tanks or metal tools. We propose to use polyphosphates glasses to avoid the corrosion of stainless steel by molten zinc. In a first step we show the possibility to coat stainless steel by these kind of glasses from coacervate phase. We have, of course, characterized the interface between the metal substrate and the polyphosphate glasses by SEM and EDS. The good adherence with substrate may be explained by the formation of phosphides. In a second step we show the compatibility of polyphosphates glasses with the molten zinc. The glasses protect the metal substrate towards the molten zinc. In a last step, we propose the transfer of this process in an industrial setting.