Corrosion

Corrosion des canalisations métalliques d'eau potable par le dichlore gazeux :

${\displaystyle {\rm {Fe(s)+Cl_{2}(g)\longrightarrow Fe^{2+}(aq)+2\ Cl^{-}(aq)}}}$.

Le dichlore gazeux, servant initialement à détruire les micro-organismes, a un effet secondaire néfaste sur la structure. À ne pas confondre avec l'effet des ions chlorure de l'eau de mer sur la vitesse de corrosion (cf. article Passivation).

L’atmosphère contient des acides tels que l'acide nitrique (HNO₃) et l'acide sulfurique (H₂SO₄), résidus de combustion, qui attaquent les métaux :

${\displaystyle {\rm {Fe(s)+2\ H^{+}(aq)\longrightarrow Fe^{2+}(aq)+H_{2}(g)}}}$.

Ces phénomènes sont à la base de la corrosion atmosphérique, qui n'a d'ailleurs pas lieu en absence d'humidité dans l'air.

L’oxygène de l’air, en présence d’eau, oxyde le fer et peut former divers oxydes. Selon les conditions chimiques, il forme divers oxydes ou hydroxydes qui peuvent être soit non protecteurs, soit modérément protecteurs. Par exemple, Fe(OH)₃, nH₂O (la rouille), un hydroxyde poreux qui ne protège pas le fer attaqué. Mais en milieu réducteur (peu ou pas d'oxygène), neutre ou modérément basique (pH), c'est l'eau qui oxyde le fer ; la magnétite Fe₃O₄ peut se former, qui est modérément protectrice.

L’acier inoxydable, communément désigné par « acier inox », contient du chrome (au minimum 12 % du poids) : les oxydes qui se forment en surface de l’alliage (avec une forte proportion d'oxyde de chrome, de type Cr₂O₃) gênent la progression de l’oxygène ou le transfert d'électrons nécessaire à l'oxydation. On parle alors de passivation. Le terme indique un net ralentissement de la vitesse de corrosion par rapport à la cinétique de corrosion attendue initialement. Toutefois, la corrosion n'est pas annulée ; elle est simplement fortement ralentie, de quelques ordres de grandeur. L'effet protecteur du chrome croit en général avec sa teneur. Un minimum de 12 % est nécessaire pour cette raison, mais les aciers destinés à des environnements agressifs, par exemple en présence de chlorures ou vers les milieux acides, ont des teneurs plus élevées, jusqu'à 25 % par exemple. L'ajout de molybdène a aussi un effet passivant très élevé, plus même que celui du chrome (1 % Mo ~ 2,5 % Cr).

La première idée pour contrer la corrosion est simplement de choisir un matériau qui ne se corrode pas, ou très peu, dans l'environnement considéré. On peut utiliser des aciers « inoxydables », des alliages d'aluminium, des céramiques, des matières plastiques, des matériaux composites, etc. 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, etc.). Dans l'absolu, il n'existe pas de matériau réellement inoxydable.

Le terme d'« acier inoxydable » est à ce titre impropre pour deux raisons : d'une part, ce type d'acier contient des éléments d'alliage (chrome, nickel) qui s'oxydent : c'est précisément cette couche d'oxydes qui protège l'acier ; d'autre part, cet acier n'est protégé que pour certains types d'environnement, et sera rapidement corrodé dans d'autres environnements.

Il existe de multiples nuances d'aciers dits « inoxydables », dont les plus courants dans l'industrie sont appelés :

• désignation américaine (AISI) « 304 », désignation européenne (EN) « X5CrNi18-10 (1.4301) » (ancienne désignation AFNOR « Z6CN18-10 ») : contient environ 0,06 % de carbone, 18 % de chrome, 10 % de nickel ;
• AISI « 304L » (L pour low carbon), EN « X2CrNi18-9 (1.4306) » (AFNOR « Z3CN18-10 ») : alliage identique mais contenant moins de carbone, ce qui le rend plus facilement soudable ;
• AISI « 316 » et « 316L », resp. EN « X5CrNiMo17-12-2 (1.4401) » et « X2CrNiMo17-12-2 (1.4404) » (AFNOR « Z6CND17-12 » et « Z3CND17-12 ») : contient du molybdène qui rend possible son utilisation en milieu chloruré (par exemple eau de mer) ;
• AISI « 420 », EN « X20Cr13 (1.4021) » : acier martensitique, à haute limite d'élasticité (haute dureté) ;
• AISI « 430 », EN « X6Cr17 (1.4016) » : acier inoxydable ferritique (moins cher).

Selon les applications, et en particulier la masse acceptable de la pièce, le milieu physicochimique, le procédé de mise en œuvre (fonderie, mécanosoudé, etc.), la résistance mécanique attendue, etc., on peut aussi utiliser des alliages d'aluminium, de cuivre (laiton, bronze, cupronickel, etc.), de nickel (Inconels), des matières plastiques, etc.

Chaque matériau correspond donc à certains types d'environnements : son utilisation dans d'autres environnements peut se révéler catastrophique.

Dans la conception même de la pièce, il faut s'attacher à éviter les zones de confinement, les contacts entre matériaux différents, et plus généralement, les hétérogénéités. Il faut aussi prévoir l'importance de la corrosion (impact sur la solidité…) et le temps au bout duquel il faudra changer la pièce (maintenance préventive), ou bien prévoir des contrôles réguliers (contrôle non destructif, maintenance conditionnelle).

Dans un environnement fermé (par exemple, un circuit d'eau fermé), il devient possible de maîtriser nombre de paramètres ayant une influence sur la corrosion : composition chimique (notamment acidité et dureté de l'eau), température, caractère plus ou moins abrasif et vitesse ou pression du fluide transporté, etc. Il existe également des produits dits « inhibiteurs de corrosion » pour ces contextes. Ce type d'approche est de fait inapplicable en milieu ouvert (atmosphère, mer, bassin en contact avec le milieu naturel, circuit ouvert).

Il existe deux moyens d'empêcher la réaction chimique d'avoir lieu.

On peut tenter d'isoler la pièce de l'environnement par une barrière : couche de peinture, de matière plastique, etc., ou par un traitement de surface : nitruration, chromatation, projection plasma.

La corrosion étant essentiellement un phénomène d'oxydoréduction, on peut jouer sur le potentiel électrochimique de surface. Pour simplifier, lors de l'oxydation, une espèce chimique de l'environnement prend des électrons au matériau. Si l'on fournit des électrons par un autre moyen (par un générateur électrique, ou bien par une autre réaction chimique), on empêche le matériau de perdre ses propres électrons. C'est le principe de la protection cathodique.

Il est ainsi possible d'introduire une autre pièce pour ralentir ou empêcher la réaction. Un premier moyen de la réaliser est d'utiliser une « anode sacrificielle ». Cette nouvelle pièce, souvent en zinc ou magnésium, abaisse en effet le potentiel électrochimique de la pièce protégée en dessous du potentiel où il peut s'oxyder, et va se corroder à la place de la pièce à protéger. En milieu aqueux, il suffit de visser ou de mettre en contact l'anode sacrificielle sur la pièce à protéger.

Si la pièce est de grande dimension, il faut cependant tenir compte d'une déperdition de protection liée à la chute ohmique. Celle-ci est provoquée par la résistance au passage du courant dans le milieu environnant, et elle augmente avec la distance du point de la pièce protégée au contact avec l'anode sacrificielle. Au-delà d'une certaine distance, qui dépend de la conductivité du milieu, la pièce n'est plus protégée. Il faut donc positionner les anodes à distance régulière de manière que tout point se situe en dessous du potentiel où le métal peut se corroder. C'est ce qui est réalisé sur les grandes structures, par exemple les plates-formes pétrolières offshore. Ces anodes sacrificielles se consomment et ont une durée de vie limitée, et nécessitent par conséquent un remplacement périodique.

À l'air libre, il faut entièrement recouvrir la pièce de zinc (principe de la galvanisation), qui agit non seulement en surface de la pièce mais aussi de l'intérieur, grâce à un alliage fer-zinc puissant. On peut aussi mettre des particules métalliques dans la peinture, ce qui associe barrière physique et protection cathodique. Les peintures anti-corrosion au plomb (minium) ont été abandonnées en raison de leur effet sur l'environnement et la santé.

Un deuxième moyen de réaliser la protection cathodique est d'abaisser le potentiel du métal avec une source électrique externe, en imposant un potentiel ou un courant entre la pièce et une anode externe positionnée au regard de la surface, mais sans contact direct avec le métal. Dans ce cas, l'anode ne se consomme pas et n'a pas besoin d'être remplacée.

Dans l'industrie automobile, on protège le fer en créant une réaction chimique avec celui-ci. Le produit, imperméable, protégera le métal : c'est la parkérisation.

Le chromage de l'acier a été complètement abandonné[10]. En effet, le chrome en lui-même ne se corrodait pas, donc protégeait la pièce (protection anodique), mais la moindre rayure était catastrophique car la pièce jouait alors le rôle d'anode sacrificielle pour le chrome et se corrodait très rapidement.

• Chambre syndicale de la recherche et de la production du pétrole et du gaz naturel, sous-commission Production, Corrosion et inhibition des puits et collectes, Paris, TECHNIP, 1981, 82 p. (ISBN 2-7108-0409-3, présentation en ligne).
• [ASM 1996] (en) Corrosion, ASM International (American Society for Materials), coll. « ASM Handbook » (n^o 13), 1996, 5^e éd.
• [Bén 1962] J. Bénard et al., L'Oxydation des métaux, Gauthier-Villars, 1962.
• [Kof 1988] (en) P. Kofstad, High Temperature Corrosion, Elsevier, 1988.
• [Lan 1993] D. Landolt, Corrosion et chimie de surfaces des métaux, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, coll. « Traité des matériaux » (n^o 12), 1993.
• [Now 1992] (en) J. Nowotny (éditeur) et al., Diffusion in Solids and High Temperature Oxidation of Metals, Trans Tech Publications, 1992.
• Métallurgie, du minerai au matériau :
  • [Phi 1998] J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet et P. Combrade, Métallurgie, du minerai au matériau, Paris, Masson, 1998, 1^re éd. (ISBN 2-225-82978-0).
  • [Phi 2002] (en) J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet et P. Combrade, Métallurgie, du minerai au matériau, Paris, Dunod, 2002, 2^e éd., 1177 p. (ISBN 2-10-006313-8).
• (en) Eshaan Verma, Harshal Gajera, Dharam Ramani et Namrata Bist, « Corrosion in the light of electrochemistry », Materials Today: Proceedings,‎ janvier 2022, S2214785322001675 (DOI 10.1016/j.matpr.2022.01.138, lire en ligne, consulté le 31 mars 2022)
• (en) Committee on the Corrosion of Buried Steel at New and In-Service Infrastructure, Committee on Geological and Geotechnical Engineering, Board on Earth Sciences and Resources et National Materials and Manufacturing Board, Corrosion of Buried Steel at New and In-Service Infrastructure, National Academies Press, 2022 (ISBN 978-0-309-69267-0, DOI 10.17226/26686, lire en ligne).

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• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

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• Ressource relative à la santé :
  • (en) Medical Subject Headings
• INSA Lyon, « Le livre multimédia de la corrosion ».