Corrosion
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Généralités
La corrosion désigne l'altération d'un objet manufacturé par l'environnement. Il faut en exclure les effets purement mécaniques (cela ne concerne pas, par exemple, la rupture sous l'effet de chocs) mais la corrosion intervient dans certaines formes d'usure des surfaces dont les causes sont à la fois physicochimiques et mécaniques.
- Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux par l'air, telles la rouille du fer et de l'acier ou la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton).
- La corrosion est un domaine bien plus vaste qui touche tous les matériaux (métaux, céramiques, polymères...) et tous les environnements (milieu aqueux, atmosphère, haute température...).
- La corrosion est un domaine des sciences des matériaux, qui comporte à la fois des notions de chimie et de physique (physico-chimie).
- La corrosion est un problème industriel important, car il peut entraîner des accidents (rupture d'une pièce), et par ailleurs, il représente un coût important puisque l'on estime que chaque seconde, 5 tonnes d'acier sont perdues dans le monde : quelques millions d'atomes sur chaque pièce, multipliés par la quantité d'acier disponible... On estime généralement son coût économique à pas moins de 2% du produit brut mondial.
- Nous abordons ici les cas les plus connus, afin d'introduire quelques concepts clefs de la corrosion, concepts qui seront utilisés plus loin pour les autres cas.
Approche de la corrosion des métaux
La corrosion des métaux est un phénomène naturel.
- En effet, à quelques rares exceptions près (l'or et plus généralement tous les métaux de la famille du Platine que l'on trouve à l'état natif naturellement, fer de provenance météoritique), le métal est présent sur Terre sous forme d'oxyde, dans les minerais (bauxite pour l'aluminium, hématite pour le fer...).
- Depuis la préhistoire, toute la métallurgie a consisté à réduire ces oxydes dans des bas-fourneaux puis des hauts-fourneaux pour fabriquer le métal.
- La corrosion, c'est en fait le métal qui retourne à son état naturel, l'oxyde!
La corrosion des métaux est dans la grande majorité des cas une réaction électrochimique (une oxydo-réduction) qui fait intervenir deux acteurs :
- la pièce manufacturée, et
- l'environnement.
On entend souvent parler d'« acier inoxydable » ; le terme est impropre pour deux raisons :
- ce type d'acier contient des éléments d'alliage (chrome, nickel) qui s'oxydent, c'est cette couche d'oxyde qui protège l'acier ;
- il n'est protégé que pour certains types d'environnement, et sera corrodé dans d'autres environnements.
Il existe de multiples nuances d'aciers dits « inoxydables », désignés par des noms barbares du type « 304 », « 304L », « 316N »... qui correspondent à des compositions différentes et des traitement différents ; chaque acier correspond à certains types d'environnements, son utilisation dans d'autres environnements sera catastrophique.
Par ailleurs, le matériau dont est fait la pièce n'est pas le seul paramètre.
- La forme de la pièce et les traitements subis (mise en forme, soudure, vissage) jouent un rôle primordial.
- Ainsi, un assemblage de deux métaux différents (par exemple deux nuances d'acier, ou le même acier traité différemment) peut créer une corrosion accélérée ; on voit d'ailleurs souvent des traces de rouille au niveau des écrous.
- Ou encore, si la pièce présente un interstice (par exemple entre deux plaques), cela pourra former un milieu confiné qui évoluera différemment du reste de la pièce et donc pourra aboutir à une corrosion locale accélérée.
- En fait, toute hétérogénéité peut conduire à une corrosion locale accélérée, comme par exemple aux cordons de soudure.
Approche de la protection contre la corrosion
La corrosion est donc un phénomène qui dépend du matériau utilisé, de la conception de la pièce (forme, traitement, assemblage) et de l'environnement. On peut donc agir sur ces trois paramètres. On peut aussi agir sur la réaction chimique en elle-même.
Choix du matériau
La première idée est de choisir un matériau qui ne se corrode pas dans l'environnement considéré. On peut utiliser des aciers inoxydables, des aluminiums, des céramiques, des polymères (plastiques)... Le choix doit aussi prendre en compte les contraintes de l'application (masse de la pièce, résistance à la déformation, à la chaleur, capacité à conduire l'électricité...)
Souvenons nous qu'il n'y a pas de matériau inoxydable dans l'absolu, même l'aluminium peut se corroder.
Conception de la pièce
Dans la conception, il faut s'attacher à éviter les zones de confinement, les contacts entre matériaux différents et les hétérogénéités en général.
Il faut aussi prévoir l'importance de la corrosion, et le temps au bout duquel il faudra changer la pièce (maintenance préventive)...
Maîtrise de l'environnement
Lorsque l'on travaille en environnement fermé (par exemple un circuit fermé d'eau), on peut en maîtriser les paramètres ayant une influence sur la corrosion :
composition chimique (notamment l'acidité), température, pression...
On peut par exemple rajouter des produits dits « inhibiteurs de corrosion ».
Mais ce genre de solution est inapplicable lorsque l'on travaille en milieu ouvert (atmosphère, mer, bassin en contact avec le milieu naturel, circuit ouvert...)
Empêcher la réaction chimique
Il existe deux moyens d'empêcher la réaction chimique d'avoir lieu.
- On peut tout d'abord isoler la pièce de l'environnement,
- en passant un coup de peinture,
- en recouvrant la pièce de plastique,
- en faisant un traitement de surface
(par exemple nitruration, chromatation ou projection plasma).
On peut aussi introduire une autre pièce pour perturber la réaction ; c'est le principe de l'«anode sacrificielle». On met une pièce (souvent en zinc) qui va se corroder à la place de la pièce à protéger ; la réaction chimique entre l'environnement et la pièce sacrifiée empêche la réaction entre l'environnement et la pièce utile. En milieu aqueux il suffit de visser l'anode sacrificielle sur la pièce à protéger. A l'air, il faut entièrement recouvrir la pièce, c'est le principe de la galvanisation.
Il est à noter que le chromage a été complètement abandonné (ne pas confondre le chromage, un dépôt de chrome, la chromatation, qui est la formation d'une couche de métal combiné à des ions chrome VI) et la chromisation, parfois appelée cémentation au chrome, qui est une diffusion d'atomes de chrome dans les couches superficielles d'un acier. En effet, le chrome en lui-même ne se corrodait pas, donc protégeait la pièce, mais la moindre rayure était catastrophique car la pièce jouait alors le rôle d'anode sacrificielle pour le chrome et se corrodait à la vitesse grand V !
Les peintures anti-corrosion au plomb (minium) ont été abandonnées en raison de leur impact dramatique sur l'environnement.
Voir aussi
- Corrosion
- acier inoxydable
- Revêtement
Bibliographie
- [ASM96] : Corrosion 5è éd., vol. 13 de ASM Handbook, éd. ASM International (American Society for Materials), 1996
- [Ben62] : L'Oxydation des métaux, J. Bénard et coll., éd. Gauthier-Villars, 1962
- [Kof88] : High Temperature Corrosion, P. Kofstad, éd. Elsevier, 1988
- [Lan93] : Corrosion et chimie de surfaces des métaux, D. Landolt, vol. 12 de Traité des matériaux, éd. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 1993
- [Now92] : Diffusion in Solids and High Temperature Oxidation of Metals, éditeur J. Nowotny, éd. Trans Tech Publications, 1992
- [Phi98] : Métallurgie : du minerai au matériau, J. Philibert et coll., éd. Masson, 1998