Multi-scale characterization of a chromium-free passivation layer for tinplate food packaging
Caractérisation multi-échelles d’une couche de passivation sans chrome pour emballages alimentaires en fer-blanc
Résumé
The ban on the use of hexavalent chromium in the tinplate protection process, utilize commonly in food packaging, has led to the development, in Europe, of a new passivation called CFPA (Chromium-Free Passivation Alternative), but whose corrosion performance is considerably reduce. The aim of this work is to characterize the CFPA layer and compare it with the old passivation in order to understand the origin of their different behavior. To achieve this, XPS spectroscopy in conventional and image mode and STEM HAADF imaging combined with EELS spectroscopy were used. Both tin-plated steels exhibit "ridge-valley" microroughness following the rolling patterns. Unexpectedly, the thickness of the CFPA layer vary from single (~ 8 nm) to double (~ 18 nm) depending on its location (ridge-valley). In the valleys, the passivation consists of a gradient of transition metal oxides or even (oxy)fluorides and a polymer on the surface, arranged on a protective layer of tin oxides. On the ridges, the finer passivation layer consists of a single oxides nano-layer. Its lateral distribution is very heterogeneous, even leading to the formation of nano-clusters at the extreme surface. This leads to weakened steel protection. Two passivated substrates "chrome" or CFPA, varnished, were subjected to light corrosion and then characterized. During these processes, the CFPA layer appears to evolve. This transformation, as well as its irregularity in the ridge areas, could explain the failure of the CFPA passivation.
Le bannissement de l’emploi du chrome hexavalent dans le processus de protection du fer-blanc, utilisé notamment dans l’emballage alimentaire, a conduit au développement en Europe, d’une nouvelle passivation appelée CFPA (Chromium‑Free Passivation Alternative), mais dont les performances en corrosion sont moindres. L’objectif de ce travail est de caractériser la couche CFPA et de la comparer à l’ancienne passivation, afin de comprendre l’origine de leur différence de comportement. Pour ce faire, la spectroscopie XPS, en mode conventionnelle et en mode image ainsi que l’imagerie STEM HAADF associée à la spectroscopie EELS, ont été utilisées. Les deux aciers étamés présentent une microrugosité de type « crête-vallée » suivant les motifs de laminage. Contre toute attente, l’épaisseur de la couche CFPA varie du simple au double (d’environ 8 à 18 nm) selon sa localisation (crête-vallée). Dans les vallées, la passivation est constituée d’un gradient d’oxydes, voire d’(oxy)-fluorures de métaux de transition, et d’un polymère en surface, disposés sur une couche protectrice d’oxydes d’étain. Sur les crêtes, la couche de passivation, plus fine, se compose d’une seule nano-couche d’oxydes. Sa répartition latérale est très hétérogène allant jusqu’à la formation de nano-clusters à l’extrême surface. Ceci conduit à une protection fragilisée de l’acier. Deux substrats passivés « chrome » ou CFPA, vernis, ont été légèrement corrodés puis caractérisés. La couche CFPA semble évoluer pendant ces processus. Cette transformation, ainsi que son irrégularité sur les zones de crêtes, pourraient expliquer les défaillances de la passivation CFPA.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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