PROCEDES HYDROGENANT & OPERATIONS DE « DEGAZAGES »

Nous vous proposons d’étudier ensemble l’impact du revêtement de vos produits afin d’appréhender le niveau de risque face aux problématiques de fragilisation par l’hydrogène.

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Introduction

Nous savons que l’hydrogène, en s’introduisant dans le réseau cristallin de l’acier durci pendant la fabrication d’un produit ou en cours d’utilisation, peut affecter le comportement plastique de l’alliage et entraîner une rupture prématurée. Ce phénomène se manifeste par une rupture fragile d’un matériau métallique normalement ductile, pour des contraintes inférieures à sa limite d’élasticité apparente.

Tous les procédés susceptibles d’introduire des quantités significatives d’hydrogène dans les aciers durcis peuvent être à l’origine des phénomènes de rupture différée. Nous allons nous intéresser à l’effet fragilisant de certains revêtements qu’ils soient électrolytiques, chimiques ou appartenant à la famille des conversions comme la phosphatation.

Les procédés hydrogénant.

Sur les lignes de production, les aciers sont amenés à subir un ensemble d’opérations de mise en forme, de traitements thermiques et de surface afin de conférer au produit des propriétés physicochimiques et mécaniques spécifiques. La norme NF EN ISO 4042 stipule que l’hydrogène peut être notamment introduit lors des procédures de dégraissage, de décapage, de phosphatation ou de dépôt électrolytique. On peut également ajouter à cette liste les opérations d’austénitisation ou de cémentation. L’étude de Resiak and all. [Resiak 2008] montre l’importance de certains procédés de fabrication sur l’introduction d’hydrogène dans un acier destiné à la fabrication de vis.

Les opérations où l’on trouve le plus d’hydrogène total sont : l’austénitisation suivi d’une trempe (3,48 ppm d’hydrogène) et la phosphatation Mn (1,61 ppm d’hydrogène). On peut, bien entendu, remplacer la phosphatation par des traitements de surface par voie électrolytique (Zn, ZnNi, ZnFe, SnZn, …) pour lesquels la teneur en hydrogène total mesurée à l’aide d’un catharomètre sera globalement supérieure à 5 ppm et pouvant atteindre plusieurs dizaines de ppm. Pour commencer à estimer le degré de sensibilité à la fragilisation via l’hydrogène mesuré, il est nécessaire de connaitre la part absorbée par le substrat et celle se trouvant dans le revêtement ou la calamine lorsque l’on étudie l’opération d’austénitisation. On parle « H-partioning »

Les origines de l’hydrogène pour chacun des procédés hydrogénant sont assez variées :

– Durant l’austénitisation sous atmosphère protectrice, les hydrocarbures utilisés (méthanol, méthane, propane, …) vont libérer de l’hydrogène au cours du craquage de ces molécules.

– En ce qui concerne les opérations de décapages acides (HCl et H2SO4) réalisées pour préparer la surface en vue d’être revêtue, la teneur en hydrogène absorbé va dépendre de la nature de l’acide, du potentiel hydrogène de la solution (pH), de la présence ou pas des brillanteurs et des inhibiteurs de corrosion.

– Pour les traitements de surface du type phosphatation et nickel chimique, la teneur en hydrogène mesurée est associée à la présence d’acide phosphorique (H3PO4) pour la phosphatation et à la décomposition de l’hypophosphite (3H2PO− 2 ), pour le nickel chimique :
3H2PO− 2 + Ni2+ + 3H2O → 3H2PO− 3 + Ni + 2H+ + 2H2. H2PO− 2 + 2H+ + e− → P + 2H2O.
Le proton H+ va permettre d’obtenir du phosphore dans le dépôt.

– Pour les traitements électrolytiques, on observe un dégagement d’hydrogène à la cathode où se trouve l’acier à revêtir. La quantité de dihydrogène émis est important en début de réaction ; elle est liée étroitement au rendement faradique de la réaction électrochimique.

La nécessité d’un traitement de « dégazage »

D’un point de vue des propriétés mécaniques de traction, on s’aperçoit que l’allongement (A%) et la striction (Z%) diminue fortement après un zingage électrolytique. L’opération de dégazage qui suit le dépôt de zinc permet de regagner une partie de la plasticité perdu lié à la fragilisation par l’hydrogène absorbé pendant le revêtement électrolytique.

Le temps et la température du traitement de « défragilisation » sont fournis à titre indicatif par la norme ISO 9588 (Metallic and other inorganic coatings – Post coating treatments of iron or steel to reduce the risk of H embrittlement). Ces paramètres sont uniquement fonction de la résistance mécanique à la rupture de l’acier traité qui doit être revêtu.

La norme ne prend donc pas en compte des paramètres tout aussi importants tels que la nature et l’épaisseur du revêtement, … On peut ajouter que le traitement de défragilisation est nécessaire uniquement pour les revêtements qui ne dégaze pas naturellement, cela dépend du « niveau d’étanchéité » du dépôt par rapport à l’hydrogène. Ce dernier point peut être déterminer par des essais de perméation électrochimique.

Le traitement de « dégazage » dégaze-t-il vraiment ?

Voici une question qui dans un premier temps qui parait stupide mais qui mérite d’être posée lorsque l’on étudie les résultats d’étude menée par Nexter qui mesure une teneur en hydrogène total très similaires après différents temps de dégazage réalisé à 200°C .

Après une rapide analyse des teneurs en hydrogène mesurées, on s’aperçoit que le traitement n’a pas permis de dégazer les pièces. Par conséquent, dans ce cas précis, la défragilisation ou le regain de plasticité des pièces revêtues n’est pas activé par un phénomène de dégazage de l’hydrogène. Autrement dit, la quantité d’hydrogène contenu dans l’état (B) de la figure 3 est très proche de l’état C. Il n’est donc pas pertinent de vouloir fixer une teneur maximale d’hydrogène total pour s’assurer d’éviter le phénomène de fragilisation. Il faut plutôt chercher vers la capacité qu’à l’hydrogène a se mouvoir dans le revêtement et dans le substrat pour se retrouver ou pas dans une zone dite sensible. Il faut donc voir dans de nombreux cas le traitement de dégazage » plutôt comme un traitement de « piégeage » qui va entraver le mouvement des atomes d’hydrogène.

L’ensemble de ces informations, concernent l’effet hydrogénant de certaines opérations de la gamme de fabrication, nous permet de comprendre en partie les raisons pour lesquelles il est possible de rencontrer encore de nos jours des problèmes de fragilisation par l’hydrogène sur des pièces revêtues et que certains traitement de défragilisation sont loin d’être optimisés dans d’autres cas. Il est primordial d’avoir une vue d’ensemble produits, procédés et matériaux pour définir les actions à mettre en place pour éviter les ruptures différées associées à l’absorption d’hydrogène.

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