Acier galvanisé : propriétés des matériaux, processus et utilisations

L'acier galvanisé joue un rôle important dans le domaine de la science et de l'ingénierie des matériaux en raison de son ensemble unique de propriétés. Il a une large gamme d'applications, notamment dans la construction, les ménages et divers composants automobiles. La protection du revêtement de zinc est ce qui le rend unique par rapport aux autres types d'acier, ce qui lui confère une durée de vie prolongée. Dans cet article, vous pourrez explorer les propriétés du matériau, son processus de fabrication et sa vaste utilisation dans l'industrie. Ainsi, quelle que soit votre formation, préparez-vous à acquérir des connaissances sur cette matière polyvalente.

Figure 1 : Acier galvanisé

Qu'est-ce que l'acier galvanisé?

Un type d'acier qui comprend un revêtement de zinc grâce à un processus renommé de galvanisation. Le revêtement respectif est réalisé par liaison métallurgique du zinc et de l'acier dans le seul but d'augmenter ses propriétés telles que la résistance à la corrosion et la durabilité. Ainsi, cette couche protectrice lui permet de résister à un environnement agressif. De plus, cela augmente la durée de vie de l'acier, le rendant durable et rentable [3] [4].

Figure 2 : Tôle d'acier galvanisée

Pourquoi l’acier galvanisé est-il important ?

Ce type d'acier a son importance en raison de sa résistance exceptionnelle à la corrosion et de sa longue durée de vie. Le revêtement protecteur de zinc agit comme un blocage qui empêche l’oxygène et l’air d’entrer en contact direct avec l’acier, minimisant ainsi les risques de dégradation et de rouille. Cette capacité à résister à différentes conditions environnementales fait de ce matériau un choix idéal pour les industriels souhaitant l’utiliser dans des applications telles que la construction et les infrastructures. En plus de cela, il nécessite peu d’entretien, ce qui en fait un choix rentable.

A quoi sert l’acier galvanisé ?

Cet acier protégé par le zinc a une variété d'applications en raison de son ensemble unique de propriétés. Certains d'entre eux sont énumérés ci-dessous:

Construction

• Poutres structurelles
• Toiture
• Muraille

Automobile

• Carrosseries et pièces de voitures

Infrastructure

• Des ponts,
• Filières
• Pôteaux d'éclairage

Electroménager

• Machines à laver
• Réfrigérateurs

Agriculture

• Escrime
• Silos

Figure 3 : Applications de l'acier galvanisé

Avantages et inconvénients du matériau en acier galvanisé

Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des avantages et inconvénients de l’acier galvanisé :

Figure 4 : Avantages et inconvénients de l'acier galvanisé

Comment est fabriqué l’acier galvanisé

Cet acier est fabriqué grâce à un processus de galvanisation dans lequel l'immersion de l'acier se fait dans du zinc fondu. Vous trouverez ci-dessous la brève description de l’acier galvanisé :

Le processus de galvanisation

Le processus de galvanisation le plus important qui garantit une bonne propriété de résistance à la corrosion est la galvanisation à chaud qui comprend plusieurs étapes décrites comme suit :

Préparation de surface

Tout d’abord, l’acier subit une préparation de surface avant d’être zingué. Cela peut se faire en trois étapes décrites ci-dessous :

• Dégraissage et nettoyage :La saleté, l'huile et d'autres types de contaminants sont éliminés à l'aide d'une solution alcaline pour garantir l'absence de défauts dans le revêtement de zinc.
• Décapage :une fois nettoyé, l'acier est immergé dans de l'acide sulfurique ou chlorhydrique qui élimine davantage l'oxyde ou toute rouille présente sur la surface de l'acier.
• Fluxage :Après cela, l'acier est immergé dans une solution de flux constituée de chlorure de zinc et d'ammonium qui conduit à former une couche protectrice qui interdit l'oxydation avant la galvanisation. Ce processus contribue également à augmenter la capacité d’adhésion du revêtement de zinc avec l’acier.

Galvanisation à chaud

Le processus consiste à plonger l'acier propre dans un bain de zinc fondu, généralement maintenu à une température de 450°C. Le processus comprend les étapes suivantes :

• Immersion de l'acier dans un bain de zinc fondu :Cette immersion conduit à la réaction entre le zinc et l'acier entraînant la formation de couches d'alliage de zinc garantissant que l'acier est entièrement recouvert de zinc.
• Formation de couches d'alliage zinc-fer :Cette formation a lieu pendant l'immersion, fournissant une liaison forte et augmentant la résistance à la corrosion. Les couches communes qui se forment lors de l'immersion sont les phases gamma, delta et zêta améliorant la durabilité globale.
• Contrôle de l'épaisseur du revêtement de zinc :Ceci peut être contrôlé en ajustant certains paramètres dont le temps d'immersion, la température du bain et la vitesse à laquelle l'acier est retiré du bain.

Après traitement

Une fois l’acier galvanisé, il subit les étapes de post-traitement suivantes :

• Refroidissement et solidification du revêtement de zinc :L'acier zingué peut refroidir à l'air ou selon un certain processus de refroidissement une fois sorti du bain de zinc.
• Inspection des défauts et de l’uniformité du revêtement :Une inspection visuelle est effectuée afin de vérifier tout défaut de revêtement. De plus, l'épaisseur et l'uniformité sont également évaluées via des instruments spécialisés.
• Application de traitements supplémentaires :selon les exigences de la demande, un processus supplémentaire pourrait être effectué pour galvaniser l'acier. Pour une meilleure adhérence et une meilleure dureté de surface, un recuit galvanique est effectué. En plus de cela, un revêtement au phosphate de zinc pourrait être réalisé pour améliorer la résistance à la corrosion.

Figure 5 : Processus par étapes pour la galvanisation de l'acier 

Propriétés matérielles de l'acier galvanisé

L'acier galvanisé possède un ensemble unique de propriétés qui sont détaillées ci-dessous :

Résistance à la corrosion

Cet acier présente une excellente résistance à la corrosion grâce au revêtement de zinc qui agit comme une barrière sacrificielle. Les phénomènes derrière ce comportement sacrificiel et la protection de l'acier contre la rouille sont discutés ci-dessous :

La couche de zinc comme barrière sacrificielle

La couche de zinc de l'acier galvanisé agit comme une barrière sacrificielle qui offre finalement une résistance à la corrosion dans des conditions environnementales agressives. Le zinc est fortement attiré par l'oxygène et l'humidité présents dans l'environnement par rapport à l'acier, c'est pourquoi le zinc se corrode en premier tout en protégeant le composant en acier. Cette action de sacrifice prolonge la durée de vie de l'acier.

Comment le zinc protège l’acier de la rouille

La formation d'oxyde de zinc et d'hydroxyde de zinc a lieu une fois que le zinc subit une corrosion. Cette formation d'oxydes développe une couche passive sur la surface du composant en acier et constitue une barrière physique empêchant l'oxygène et l'humidité d'entrer en contact direct avec le composant en acier. Dans certains cas, si ce revêtement est endommagé, les restes de zinc assurent toujours une protection à l'acier par action sacrificielle.

Le processus électrochimique de corrosion du zinc

Ce. Le processus électrochimique conduit à la corrosion du zinc de telle sorte que le revêtement de zinc agit comme une anode tandis que le composant en acier agit comme une cathode. L’électrolyte dans ce cas est de l’oxygène ou de l’humidité qui facilite le flux d’électrons. En conséquence, cette oxydation a lieu au niveau du zinc tandis qu'une réduction à la cathode conduit finalement à un processus empêchant la formation de rouille sur le composant en acier.

Facteurs affectant la résistance à la corrosion

Les principaux facteurs qui affectent la résistance à la corrosion sont :

Épaisseur du revêtement de zinc

L’épaisseur du revêtement de zinc a une forte influence sur la résistance à la corrosion. Les revêtements d’une épaisseur adéquate offrent une plus grande résistance à la corrosion que les revêtements minces.

Type de revêtement de zinc (galvanisé ou électrolytique)

Le revêtement galvanisé offre une résistance supérieure par rapport aux revêtements électrolytiques car il comprend une couche plus épaisse et a la capacité de résister à des conditions agressives. D’un autre côté, les revêtements électrolytiques conviennent aux conditions environnementales douces.

Conditions environnementales (humidité, température, polluants)

La nature de l’environnement auquel le composant en acier doit résister a une grande influence sur sa capacité à résister à la corrosion. Des conditions agressives impliquant de l’humidité, des températures élevées et d’autres polluants peuvent accélérer la corrosion.

Composition chimique de l'acier galvanisé

Ci-dessous la composition chimique de l'acier galvanisé :

Tableau 1 : Composition chimique de l'acier galvanisé

Propriétés mécaniques de l'acier galvanisé

Vous trouverez ci-dessous les propriétés mécaniques brièvement décrites de l'acier galvanisé [21] [22] [23] :

Densité de l'acier galvanisé

L'acier galvanisé a une densité comprise entre 7.85 et 8.15 g/cm³.

Durabilité

Il a une durabilité exceptionnelle en raison des facteurs mentionnés ci-dessous :

Résistance aux environnements difficiles

Sa résistance aux conditions environnementales agressives qui incluent les polluants, l’humidité et vice versa grâce à l’acte sacrificiel du revêtement de zinc.

Protection contre les intempéries et les rayons UV

Le revêtement de zinc offre une bonne protection contre les rayons UV ainsi que contre les intempéries, augmentant ainsi la durée de vie des composants en acier.

Résister aux températures extrêmes

Il peut résister à des températures extrêmes sans provoquer aucune dégradation du composant matériel.

Imperméabilité à l'humidité et aux produits chimiques

La capacité de l’acier galvanisé à résister à des conditions agressives grâce au revêtement protecteur le rend suffisamment performant pour les applications à forte demande.

Solidité

L'acier galvanisé conserve la résistance naturelle de l'acier tout en augmentant plusieurs propriétés mécaniques :

Résistance à la traction et limite d'élasticité

• L'acier galvanisé conserve sa haute résistance à la traction ainsi que sa limite d'élasticité, qui sont vitales pour les composants structurels.

Ductilité et résistance aux chocs

• Il présente une ductilité compétente ainsi qu'une résistance aux chocs qui lui permettent de supporter des chocs brusques sans se briser.

Dureté et résistance à l'usure

• Le revêtement de zinc améliore la dureté de surface ainsi que la résistance à l'usure de cet acier, le rendant suffisamment adapté aux applications exigeant une résistance à l'abrasion.

Module d'élasticité

Ce matériau a un module d'élasticité d'environ 200 GPa, démontrant sa capacité à résister à une charge sans se déformer plastiquement.

Module de masse

L'acier galvanisé a un module d'élasticité de 160 GPa.

Coefficient de Poisson

De même, le taux de poison pour l'acier galvanisé est de 0.3.

Module de cisaillement

L'acier zingué a un module de cisaillement de 80 GPa, démontrant sa capacité à résister aux forces de cisaillement.

Résumé du tableau des propriétés mécaniques de l'acier galvanisé

Tableau 2 : Propriétés mécaniques de l'acier galvanisé

Formabilité

Le galvanisé peut prendre diverses formes sans pour autant négocier ses propriétés mécaniques :

Processus de formage à froid

Il peut subir plusieurs processus de formage à froid, notamment le pliage, le laminage et l'estampage, ce qui montre sa tendance à atteindre diverses formes et est facilement disponible pour diverses applications sans compromettre son intégrité structurelle.

Techniques de fabrication

Cet acier zingué peut subir diverses techniques de fabrication telles que le soudage, la découpe et le perçage en fonction de la demande des applications. Cependant, des précautions doivent être prises lors de l'exécution de toute technique pour éviter d'endommager le revêtement de zinc.

Capacités d'usinage

Ce matériau a la capacité d'être usiné ce qui permet à terme à l'industriel d'effectuer diverses opérations telles que le tournage, le perçage ou le fraisage selon les besoins et les exigences de l'application.

Finitions en acier galvanisé

L'acier galvanisé acquiert une bonne finition de surface. Les principales propriétés de surface qu’il possède sont mentionnées ci-dessous :

Propriétés de surface

• Avoir une bonne douceur qui rend le composant en acier attrayant en termes d'aspect esthétique.
• Le revêtement de zinc favorise une adhérence exceptionnelle des revêtements et des peintures avec une assurance longue durée.
• Possède une bonne imprimabilité, ce qui les rend suffisamment flexibles en termes de finition de diverses applications architecturales.

Rentabilité

L'acier galvanisé a un coût initial plus élevé en raison du processus d'application d'un revêtement de zinc sur l'acier. Par conséquent, il est coûteux par rapport à divers autres matériaux, mais si nous souhaitons économiser à long terme, ce matériau est beaucoup plus avantageux car il nécessite peu d'entretien, peut résister à un environnement agressif et vice versa.

Alternatives à l’acier galvanisé

Si nous sommes préoccupés par une alternative à l’acier galvanisé, tenez compte de facteurs tels que le coût, les conditions environnementales qu’il peut supporter, les propriétés mécaniques et vice versa. Cependant, voici les meilleurs matériaux alternatifs à considérer :

• Inox
• Aluminium
• Acier au carbone revêtu
• Les matières plastiques
• Composites

Avantages des pièces d'usinage CNC en acier galvanisé dans la fabrication

L'usinage CNC est l'une des dernières technologies permettant d'usiner un certain matériau dans une certaine forme ou taille en fonction de la nature et de la demande de l'application. La différence entre l'usinage traditionnel et l'usinage CNC réside en termes d'exactitude et de précision. Comme tous les autres matériaux, l'acier galvanisé a une bonne capacité à être usiné CNC en raison de sa capacité de formage sans compromettre ses propriétés mécaniques. Les pièces d'usinage CNC en acier galvanisé présentent de nombreux avantages dans la fabrication. Certains d’entre eux sont mentionnés dans la figure ci-dessous :

Figure 6 : Avantages des pièces d'usinage CNC en acier galvanisé

Conclusion

En conclusion, l'acier galvanisé est l'un des matériaux les plus polyvalents et largement acceptable pour de nombreuses applications, que vous le choisissiez pour la fabrication, la construction ou tout autre secteur. De plus, le revêtement de zinc ou plutôt le revêtement protecteur qui confère à l'acier une immense protection contre les conditions agressives en fait un choix populaire parmi les applications qui nécessitent une résistance à un environnement hautement corrosif. Enfin, ses capacités d’usinage font de ce matériau un bon candidat lorsqu’une haute précision et exactitude parmi les composants en acier est requise. Cela fait donc de ce matériau une contribution intéressante aux pratiques de fabrication.