Corrosion

L'écrou de gauche n'est pas en inox et rouille, contrairement au reste du serre-câble.

Les phénomènes de corrosion des métaux sont de nature électrochimique : le métal retrouve son état thermodynamiquement stable, l'état oxydé, en présence d'un milieu oxydant (eau, atmosphère, milieu naturel ou industriel). Le métal réagit avec l'environnement, cette réaction se faisant avec des échanges d'électrons.

Le fer, constituant majoritaire des aciers, s'oxyde facilement ; le produit de corrosion, la rouille, s'effrite ou se dissout dans l'eau, et les parties saines de la pièce se trouvent progressivement en contact avec le milieu oxydant. À chaud, la diffusion des atomes oxydants dans l'épaisseur du métal peut aggraver et accélérer encore le problème.

Passivation

Une des manières d'éviter la corrosion consiste à incorporer une proportion importante de chrome (Cr) dans l'acier (plus de 10,5 % en masse). Le chrome réagit avec le dioxygène de l'air et forme une couche d'oxyde de chrome Cr₂O₃ :

4 Cr + 3 O₂ → 2 Cr₂O₃

Cette couche, compacte, adhérente et donc protectrice, est appelée « couche passive » : elle forme une barrière séparant l'acier de son milieu. En temps normal, elle est invisible car très fine. Ainsi, contrairement à ce que son nom pourrait laisser penser, ledit acier n'est pas inoxydable : il s'oxyde rapidement, mais forme un oxyde de chrome protecteur en surface, contrairement à la rouille.

Il est intéressant de constater qu'une passivation à l'air simple ne se constitue pas aussi rapidement qu'une passivation chimique (sous 48h à 72h contre 12h à 48h), de plus la couche passive faite à l'air ne sera pas aussi épaisse. En cas de fortes contraintes chimiques (exposition au sel ou au chlore) ou thermiques (réseaux vapeur par exemple), la passivation à l'air ne sera pas suffisante pour protéger sur le long terme l'inox. La rugosité de la matière joue également un rôle important dans l'apparition de la rouille (plus le Ra est faible et plus le risque d'apparition d'oxyde de rouille diminue).

Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se situe entre le molybdène et le mercure, non loin de l'argent et du platine.

Propriétés des différents alliages

L'addition de divers éléments d'alliage permet de s'adapter au milieu spécifique dans lequel doit être utilisé l'acier, et de modifier ses propriétés mécaniques :

• l'ajout de nickel améliore les propriétés de la couche passive : en milieu acide, cet élément ne participe pas directement à la modification du film passif mais sa présence augmente la surtension de réduction des ions H⁺, c'est-à-dire qu'il freine la réaction cathodique et limite ainsi la corrosion. En milieu caustique plus ou moins oxydant, le nickel s'intègre à la couche d'oxyde (2 Ni + O₂ → 2 NiO) et crée ainsi une certaine passivation. Le nickel est un élément gammagène, il permet d'obtenir une structure austénitique et donc d'avoir des tôles qui se mettent en forme facilement ;
• le carbone en haute teneur permet de tremper l'acier et d'obtenir un acier martensitique très dur, mais le carbone nuit à la soudabilité, et peut par ailleurs piéger le chrome et gêner la formation de la couche passive ;
• d'autres éléments d'alliage, pour l'essentiel des métaux relativement « nobles » comme le molybdène, le titane, le cuivre, améliorent encore la résistance chimique, en particulier dans les milieux non oxydants. Le molybdène, en particulier, en combinaison avec le silicium présent dans l'acier, forme par dissolution (corrosion) un hétéropolyacide qui se redépose ensuite à partir de la solution agressive à l'extérieur du film passif principalement composé d'hydroxyde de chrome Cr(OH)₃. Cet hétéropolyacide intervient comme couche barrière en complément du film d'hydroxyde de chrome. Cet effet bénéfique du molybdène diminue en cas de forte agitation ou vitesse du fluide corrosif car il est peu adhérent.

Il existe de fait de très nombreuses nuances d'aciers inoxydables et le choix est parfois difficile, car ils n'ont pas tous le même comportement dans un milieu donné. On les désigne souvent par les pourcentages massiques en nickel et en chrome. Ainsi, un acier inoxydable 18/10, tel que ceux utilisés en coutellerie, pour les couverts et pour la cuisine en général, contient 18 % en masse de chrome et 10 % en masse de nickel. Cette désignation est en fait très insuffisante car elle ne préjuge en rien de la structure métallurgique.

Les aciers inoxydables peuvent se corroder si l'on n'utilise pas la bonne nuance par rapport à l'environnement de la pièce (composition chimique de l'environnement, température), ou bien si la couche passive ne se forme pas avant la mise en service de la pièce :

• le métal est mis à nu (meulage, usinage, déformation de la pièce faisant craquer la couche passive, frottement, érosion, cavitation), mais de l'huile ou de la graisse empêche l'air d'arriver pour oxyder ; la surface est alors dite « active » ;
• des particules d'acier non inoxydable polluent la surface (pollution par le fer) : ces particules rouillent, ce qui forme des auréoles, mais peuvent aussi amorcer une corrosion de l'inox dans certains cas ;
• on peut avoir de la corrosion galvanique : contact de l'inox avec un métal plus noble, hétérogénéité dans l'inox, variation de concentration du milieu.

On peut dire que :

• les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité. C'est ainsi qu'ils résistent au chlore, gaz pourtant très corrosif, pourvu que ce dernier soit parfaitement sec ;
• une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très grande homogénéité pour éviter des corrosions locales et un passage de l'état actif à l'état passif en tous les points de la surface exposée.

Produits en aciers inoxydables

Les principales formes de produits sont :

• les tôles à chaud et à froid ;
• les tubes ronds, carrés (décoration), rectangulaires (décoration) ;
• les barres ;
• les fils ;
• les demi-produits destinés soit à être forgés, soit relaminés ;
• les fibres ;
• les accessoires, la robinetterie, les raccords.

Les éléments d'addition

Système fer-chrome

Diagramme de phase fer-chrome.

Le fer pur possède trois formes allotropiques en fonction de la température :

• jusqu'à 910 °C (point A3) : forme alpha (α), ferrite (cubique centré) ;
• de 910 à 1 400 °C (point A4) : forme gamma (γ), austénite (cubique à faces centrées) ;
• de 1 400 à 1 538 °C (température de fusion) : forme delta (δ), ferrite (cubique centré).

Le chrome est un élément dit alphagène. Il favorise fortement la forme ferritique. Sur le diagramme de phase Fe-Cr, le domaine austénitique est assez réduit et est représenté par un domaine limité appelé boucle gamma.

Pour des teneurs supérieures à 11,5 % de chrome, l'alliage reste ferritique dans toute la plage de température. Il y a disparition de la transformation allotropique α-γ. Entre 10,5 et 11,5 % de chrome, l'alliage est biphasé ferrite + austénite dans certaines plages de température. Il subit une transformation ferrite/austénite pour des teneurs inférieures à 10,5 %.

On notera que le chrome jusqu'à 8 % abaisse la température A3 et se comporte comme un élément gammagène. Ce comportement s'inverse pour des teneurs supérieures à 8 %, point à partir duquel cette température augmente^[8].

Au-delà de 12,7 % de chrome, dans le cadre d'un refroidissement lent, il peut y avoir formation de phase intermétallique sigma (σ) à des températures comprises entre 820 °C et 475 °C. Elle précipite au joint de grains ou dans la matrice ferritique, entraînant une fragilité^[9]. Une hypertrempe consiste à refroidir rapidement (trempe à l'eau) l'acier au-dessous de 475 °C pour bloquer la formation de phase σ.

Système fer-chrome-nickel

Coupe du diagramme de phase ternaire Fe-Cr-Ni montrant l'évolution du domaine austénitique γ en fonction de la teneur en nickel.

Le nickel est, à l'opposé du chrome, un élément dit gammagène. Il ouvre le domaine austénitique.

Concrètement, l'addition de nickel augmente la taille de la boucle gamma.

Éléments α-gènes et γ-gènes

D'autres éléments ont un rôle alphagène ou gammagène. Un rôle particulier est tenu par le carbone et l'azote.

Le carbone a un rôle gammagène et rentre donc en « compétition » avec le chrome^[5]. En fait, plus que le carbone seul, c'est le couple carbone-azote dont il faut tenir compte, ces deux éléments étant des éléments d'alliage d'insertion contrairement aux autres éléments qui sont des éléments de substitution^[10]

Les éléments alphagènes sont le chrome, le molybdène, le silicium, le titane, le niobium, le vanadium, le tungstène, l'aluminium et le tantale^[11].

Les éléments gammagènes sont le nickel, le carbone, l'azote, le cobalt et le manganèse. Le manganèse peut avoir un rôle plus complexe^[11].

Diagramme de Pryce et Andrew.

Plusieurs modèles approximatifs ont été mis au point pour prévoir le comportement de l'alliage en fonction de la composition globale de l'alliage. Les teneurs sont affectées de coefficients établis par expérience afin de tenir compte du poids de chacun des éléments.

Pour les produits laminés, il existe le modèle de Pryce et Andrew donnant les équations suivantes :

• chrome équivalent : (Cr)_eq = (%Cr)+3(%Si)+(%Mo)
• nickel équivalent : (Ni)_eq = (%Ni)+0.5(%Mn)+21(%C)+11,5(%N)^[5]

On remarquera le poids important du carbone et de l'azote.

Diagramme de Schaeffler.

Il existe également le modèle de Schaeffler et le modèle de Delong pour les aciers inoxydables à l'état brut de soudage^[12] :

• chrome équivalent : (Cr)_eq = (%Cr)+1,5(%Si)+(%Mo)+0,5(%Nb)
• nickel équivalent : (Ni)_eq = (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C)

Dans le modèle de Delong, seule la formule du nickel équivalent diffère du modèle de Schaeffler avec la prise en compte de l'azote :

• nickel équivalent : (Ni)_eq = (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C)+30(%N)

Les aciers martensitiques

Ils sont utilisés lorsque les caractéristiques de résistance mécanique sont importantes. Les plus courants titrent 13 % de chrome avec au moins 0,08 % de carbone. D'autres nuances sont plus chargées en éléments d'addition, avec éventuellement un faible pourcentage de nickel.

Exemples : X20Cr13, X46Cr13, X29CrS13, N690Co (X105CrCoMo18-2).

Les aciers ferritiques

Ils ne prennent pas la trempe. On trouve dans cette catégorie des aciers réfractaires à haute teneur en chrome (jusqu'à 27 %), particulièrement intéressants en présence de soufre. Les aciers ferritiques sont parfois utilisés comme barrière de résistance à la corrosion (tôles plaquées, tôles revêtues, protégées [dites « claddées », de cladding, « habillage », « revêtement »]) des parois d'équipements sous pression en acier utilisés dans les industries pétrochimique et chimique. Ces aciers sont souvent utilisés en lieu et place des aciers austénitiques pour la réalisation d'ustensiles de cuisine. Certains aciers ferritiques, intégrant du titane dans leur composition, développent une résistance à la corrosion semblable aux aciers austénitiques.

Exemples : X6Cr17, X6CrMo17-1, X3CrTi17.

Les aciers austénitiques

Ce sont de loin les plus nombreux, en raison de leur résistance chimique très élevée et de leur ductilité comparable à celle du cuivre. Les teneurs en éléments d'addition sont d'environ 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et leur stabilité peut être améliorée par des éléments tels que le titane ou le niobium. De par leur excellente ductilité, ces aciers ont aussi un domaine d'utilisation aux basses températures (jusqu'à −200 °C) et sont en compétition avec les alliages légers et l'acier à 9 % de nickel pour la réalisation d'équipements destinés à la cryogénie.

Exemples : X2CrNi18-9, X2CrNiMo17-12-2.

Les aciers austéno-ferritiques

Leur solidification se fait d'abord en structure ferritique (ferrite delta) suivie d'une transformation partielle, en phase solide, en structure austénitique, certains (notamment dans le monde du soudage) préfèrent donc l'appellation ferrito-austénitiques. Ils ont des propriétés de résistance à la corrosion intergranulaire ainsi qu'à la corrosion en eau de mer remarquables et présentent, pendant l'essai de traction, un palier élasto-plastique. Ils ont un comportement mécanique semblable aux aciers de construction. Le simple fait de désigner correctement ces aciers permet de tout de suite comprendre qu'un refroidissement lent depuis l'état liquide, pendant le soudage par exemple, permettra à un maximum de phase ferritique de se transformer en phase austénitique et réciproquement, un refroidissement rapide aboutira à un gel de la ferrite laissant peu de possibilités à la transformation austénitique et donc, par voie de conséquence, une sensibilité accrue à la fissuration.

Exemple : X2CrNiN23-4.

La connaissance des types d'acier est essentielle pour les systèmes constitués d'éléments assemblés mécaniquement ou par soudage. La mise en présence de deux aciers inoxydables trop différents dans un électrolyte peut en effet provoquer des phénomènes de corrosion électrochimique très destructeurs.

Problèmes particuliers du travail à chaud

Par rapport à d'autres matériaux métalliques, les aciers inoxydables possèdent certaines propriétés particulières dont il faut tenir compte lors de la mise en forme :

• ils réagissent énormément aux températures assez hautes ;
• ils sont très mauvais conducteurs de la chaleur ;
• leur résistance mécanique est élevée, surtout dans le cas des austénitiques (à froid, au contraire, les plus résistants sont les martensitiques) ;
• le grain tend à grossir à chaud et ne peut être régénéré que par corroyage ;
• le travail doit être suivi d'un recuit et d'un décapage permettant de profiter de la résistance à la corrosion.

Les pièces massives doivent donc être chauffées lentement jusqu'à environ 800 °C avant d'être portées plus rapidement à la température de travail, qui se situe aux alentours de 1 000 °C. Il faut éviter avant tout la décarburation des aciers martensitiques, le maintien prolongé à haute température des aciers ferritiques et des aciers austénitiques, dont le grain grossit facilement et se révèle difficile ou parfois même impossible à régénérer. Le refroidissement rapide à l'eau, après travail, est souvent préconisé.

Traitements thermiques

C'est le plus souvent sous forme de tôles ou de tubes que l'on utilise les aciers inoxydables, et dans ce cas on est souvent obligé de pratiquer un recuit d'adoucissement après des opérations telles que l'emboutissage, pour éviter le maintien de contraintes résiduelles trop élevées.

Le dégraissage avant traitement doit être particulièrement soigné, les atmosphères oxydantes sont les plus indiquées et les atmosphères carburantes doivent être proscrites.

Les aciers martensitiques trouvent leur principale utilisation en construction mécanique, sous forme de pièces massives. Pour obtenir la résistance voulue, ils sont généralement trempés puis revenus. L'adoucissement s'impose généralement après l'écrouissage résultant du travail à froid. Le revenu abaissant la résistance à la corrosion, il vaut mieux utiliser une nuance moins riche en carbone qui diminue l'intensité de la trempe et permet d'éviter un revenu à trop haute température.

Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe mais il faut souvent les recuire, par exemple entre deux passes d'emboutissage et, dans des cas bien particuliers et après avis du producteur de l'acier, après soudage. Un trop long maintien à température élevée engendre une certaine fragilité par suite du grossissement du grain.

Les aciers austénitiques et austéno-ferritiques sont adoucis par un traitement à haute température, de 900 °C jusqu'à 1 150 °C, suivi d'un refroidissement aussi rapide que possible. La résistance à la corrosion, particulièrement à sa forme intergranulaire, nécessite de pratiquer autant que possible un traitement d'hypertrempe.

La détente des tensions internes peut se faire à température relativement basse, environ 400 °C ou 450 °C.

Les aciers inoxydables à durcissement structural nécessitent des traitements particuliers selon les nuances.

Formage à froid

Toutes les techniques habituelles du travail à froid sont applicables aux aciers inoxydables et donc aux pièces obtenues à partir de tôles ou de fils que l'on peut trouver dans d'innombrables objets d'usage courant.

Les aciers inoxydables sont relativement durs et cette dureté s'élève par écrouissage, au fur et à mesure qu'on les déforme. Ce phénomène est particulièrement marqué pour les aciers austénitiques. Les aciers ferritiques s'écrouissent moins et l'allongement qu'on peut leur imposer est plus faible.

Le « retour élastique » après formage est beaucoup plus grand que pour les aciers doux « ordinaires ».

La lubrification entre les pièces en cours de formage et les outils est essentielle et ne pose pas de problèmes particuliers pour la plupart des opérations. Toutefois, pour les pièces à caractère décoratif, il faut faire attention à la formation de défauts superficiels à la suite d'un grippage intempestif. L'emploi d'outils en acier trempé, en fonte grise à graphite lamellaire (GJL type « meehanite ») ou encore en cupro-aluminium, ainsi que les protections par des vernis pelables ou des feuilles plastiques constituent souvent une bonne solution.

L'écrouissage diminue la résistance à la corrosion et crée parfois un magnétisme résiduel par suite de la formation de martensite (dite « martensite d'écrouissage ») dans la famille des austénitiques. Un recuit permet de restaurer les structures.

Le pliage à la presse ou à la molette ne présente pas de difficulté particulière.

L'emboutissage nécessite des machines deux fois plus puissantes que celles qui servent pour l'acier doux. La pression exercée par les serre-flans doit être suffisante pour éviter les plissements mais pas trop pour éviter les déchirures. Les matrices et poinçons en fontes alliées au nickel-chrome donnent les meilleurs résultats, les feuilles minces peuvent être conformées dans des matrices en alliage cuivre-zinc. Les congés doivent avoir un rayon ni trop petit, ni trop grand, pour éviter à la fois un écrouissage excessif et les plissements, on prend en général entre 5 et 10 fois l'épaisseur des flans. La lubrification s'effectue avec tous les lubrifiants classiques, solutions savonneuses, huiles solubles ou non, avec dans les cas difficiles des ajouts de lubrifiants solides ou de matières chimiquement actives : plomb, talc, graphite, bisulfure de molybdène, huiles sulfurées ou sulfochlorées, additifs phosphorés, etc. Les recuits se font de préférence en atmosphère oxydante et autant que possible aussitôt après l'emboutissage.

Le repoussage ne pose pas de problème particulier, les précautions à prendre sont les mêmes que pour l'emboutissage, les meilleurs outils sont en acier cémenté.

Procédure d'assemblage ou de transformation des aciers inoxydables

Usinage

Du point de vue de l'usinage les aciers inoxydables peuvent être classés en deux catégories :

• les aciers ferritiques et surtout martensitiques s'usinent pratiquement de la même manière que les aciers de construction classiques de même dureté, il est cependant conseillé de réduire légèrement les vitesses de coupe ;
• les aciers austénitiques se distinguent des aciers de construction ordinaires par leur faible limite d'élasticité, leur allongement important avant rupture et leur forte aptitude à l'écrouissage, ce qui oblige à modifier les conditions d'usinage dans des proportions parfois très importantes. D'une manière générale il faut utiliser des machines plus puissantes, très rigides, ne vibrant pas, et fixer très énergiquement les pièces que l'on veut travailler. On privilégiera les fortes profondeurs de passe à des vitesses relativement faibles.

Les angles de taillant doivent être les plus grands possibles pour accentuer la solidité des arêtes et faciliter l'évacuation de la chaleur. Les angles de coupes très positifs évitent le phénomène de collage et d'arête rapportée.

Les liquides de coupe jouent un rôle particulièrement important dans le cas des aciers austénitiques. Une très forte onctuosité (capacité d'un lubrifiant à se fixer solidement aux parois par suite de divers phénomènes d'adsorption) est nécessaire : on utilisera donc des huiles minérales soufrées ou sulfochlorées additionnées éventuellement de corps gras comme l'huile de ricin ou de colza.

Découpage

Les aciers ferritiques et martensitiques se travaillent comme les aciers courants, mais pas les austénitiques. Ceux-ci ont une forte propension au grippage et il faut veiller à la bonne dépouille latérale des scies et des poinçons ; la puissance des machines doit être nettement plus élevée. Dans tous les cas on veillera à bien éliminer les parties endommagées, particulièrement dans le cas de découpage au plasma.

Traitements de surface

Le caractère d'inoxydabilité primaire de l'acier dit inoxydable étant essentiellement dû à la protection offerte par la couche d'oxyde de chrome, il est parfois indispensable de la reconstituer au moyen d'un traitement de surface approprié.

Notes

Références

Articles connexes

• Corrosion
  • Corrosion aqueuse
  • Corrosion atmosphérique
  • Corrosion sous contrainte
  • Fatigue-corrosion
  • Corrosion à haute température
• Traitement contre la corrosion
  • Galvanisation procédé de recouvrement de l'acier par une mince couche de zinc afin d'empêcher la corrosion.
  • Chromage procédé de recouvrement de l'acier par une mince couche de chrome afin d'empêcher la corrosion.
  • Antirouille

Liens externes

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