Protection contre la corrosion

1) QU'EST-CE QUE LA CORROSION

La corrosion est un phénomène chimique de détérioration progressive et irréversible d'un métal due à des agents extérieurs.

Le fer, par nature, a tendance à s'équilibrer en se liant à l'oxygène et on le trouve en effet sous forme d'oxyde dans des minéraux tels que l'hématite (Fe2O3) et la magnétite (Fe3O4).

L'extraction du fer du minerai consiste en un processus métallurgique qui transforme le minéral (par exemple l'hématite Fe2O3) en fer (par exemple 2Fe+3/2O2).

La corrosion peut donc être considérée comme la réaction inverse du processus d'extraction, qui ramène le métal à son état naturel (Fe2O3).

Extraction de métaux —> Fe2O3 —> 2Fe+3/2O2 —> État haute énergie (instable)
Corrosion —> 2Fe+3/2O2 —> Fe2O3 —> État basse énergie (stable)

La corrosion agit par échange d'électrons entre le fer qui les cède (oxydation) et l'oxygène qui les acquiert (réduction) en présence d'un électrolyte (eau par exemple) :

Le fer, l’air et une goutte d’eau sont un exemple typique de mécanisme corrosif :

Où:
Le fer perd des électrons —> Fe —> Fe2+ + 2 e-
L'oxygène gagne des électrons —> O2 + 2 H2O + 4 e- —> 4 OH-
Les ions Fe2+ et OH- réagissent dans la goutte d'eau en présence d'oxygène et se transforment en rouille (définissable chimiquement comme oxyde de fer hydraté)

La rouille est un matériau poreux et cassant qui a tendance à se détacher de la surface, laissant les zones sous-jacentes exposées à une oxydation ultérieure, ce qui explique le concept de progressivité et d'irréversibilité avec lequel nous avons commencé cet article.

La corrosion se produit d'autant plus rapidement que la conductivité électrique de la solution aqueuse est élevée, et c'est pourquoi sur les côtes marines, riches en sel, la corrosion du fer est plus rapide.

2) TYPES DE CORROSION

UNIFORME

Corrosion répartie relativement uniformément sur la surface provoquant une dissolution homogène du métal. Le taux de corrosion et la durée de vie d'un composant peuvent être calculés en mesurant l'amincissement global déterminé.

PIQUAGE

Forme de corrosion localisée qui génère de petits trous dans le métal. Elle affecte généralement les aciers inoxydables qui doivent leur résistance à la corrosion à une fine couche d'oxyde en surface. Le processus est généralement initié par les ions chlorure et commence par une fracture locale de la couche passive, puis se poursuit plus profondément.

INTERSTITIEL

Elle apparaît dans les fissures ou interstices formés entre deux surfaces et provoque une attaque localisée (alvéoles). Cela peut se produire sous les rondelles ou les joints si l’on n’empêche pas l’eau de s’infiltrer en dessous.

INTERGRANULAIRE

Elle consiste en la dissolution préférentielle des bords intergranulaires. Un exemple est la sensibilisation de l'acier inoxydable : lorsque certaines qualités de ce matériau sont maintenues à des températures comprises entre 500°C et 800°C pendant une période considérable, par exemple lors d'un procédé de soudage, il se forme des carbures riches en chrome (C6Cr23) qui provoquer un appauvrissement du chrome au joint de grains (zones de discontinuité chimiquement plus actives) qui auront un degré de résistance à la corrosion inférieur à celui de la matière résiduelle, déclenchant une attaque corrosive localisée ce qui peut également provoquer des fissures par corrosion sous contrainte.

GALVANIQUE

Forme de corrosion qui s'active lorsque deux matériaux de potentiel électrique différent sont en contact l'un avec l'autre en présence d'un électrolyte. Généralement, le métal le moins noble est dissous. C'est la différence de potentiel entre la cathode (par exemple l'acier inoxydable) et l'anode (par exemple l'aluminium) et la présence d'un électrolyte (par exemple l'eau salée) qui créent la cellule galvanique. En fait, se forme ce que l'on appelle la pile voûtée, dans laquelle le métal le plus noble attire les électrons du métal le moins noble, accélérant ainsi son oxydation.

On voit par exemple sur la fig.1, l'inox et le nickel sont "galvaniquement compatibles", alors que le nickel et le chrome, qui ont une différence de potentiel de 770mV, sont
« galvaniquement incompatible ». Un passage de charges négatives se formera de l’anode de chrome à la cathode de nickel, avec pour conséquence une corrosion du chrome.

Les différences de potentiel sont exprimées en millivolts (mV)
En dessous de la ligne rouge, le métal en question est attaqué

EMBRAILLEMENT ENVIRONNEMENTAL

Fissuration par corrosion sous contrainte (SCC - fissuration par corrosion sous contrainte)
Dommage qui nécessite l’action simultanée d’une tension mécanique et d’un agent corrosif. Cela peut provoquer une rupture soudaine de métaux normalement ductiles soumis à des niveaux de contraintes bien inférieurs à leur limite d'élasticité.

3) SOLUTIONS À LA CORROSION : ACIER INOXYDABLE

L'acier allié contenant au moins 10 % de chrome est appelé acier inoxydable. Le chrome provoque la formation d’une couche superficielle d’oxyde très fine et stable appelée couche de passivation qui protège l’acier de la corrosion.
Cependant, il existe une série de facteurs qu’il convient de garder sous contrôle pour éviter les mauvaises surprises.
Si l'on utilise des aciers inoxydables pouvant être soumis à des températures élevées, il est judicieux d'envisager un élément de connexion en AISI 304L ou AISI 316L, également appelé à faible teneur en carbone, où la teneur en carbone passe de 0,07 à 0,03%, annulant l'effet sensibilisant. (il n'y a pas assez de carbone pour former des carbures de chrome) et évitant ainsi la CORROSION INTERGRANULAIRE vue au chapitre 2.
Dans d'autres circonstances, par exemple en présence d'ions chlorure, la couche de passivation peut se briser, déclenchant le PITTING vu au chapitre 2. La résistance de l'acier inoxydable à cette forme insidieuse de corrosion peut être estimée à travers :

PREN (nombre équivalent de résistance aux piqûres)

Le PREN est basé sur la composition chimique de l'acier, prend généralement en compte la quantité de chrome, de molybdène et d'azote et est généralement calculé selon les équations suivantes :

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo (pour inox Mo < 3%)
PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 30 x %N (pour inox Mo ≥ 3%)

Vous trouverez ci-dessous quelques valeurs PREN typiques pour les aciers austénitiques les plus courants :

AISI 304 —> gamme PREN 17,5-20,8
AISI 316 —> gamme PREN 24.75-28.51
Duplex 2205 —> Gamme PREN 30,85-38,6

D'une manière générale, les aciers avec un PREN > 32 peuvent être considérés comme résistants aux milieux marins.

Les indices de résistance à la corrosion pour les produits en acier inoxydable sont contenus dans la norme EN 1993-1-4 où un système de notation prend en compte une gamme de risques et un facteur de résistance à la corrosion est calculé :

CRF (Facteur de Résistance à la Corrosion)

Chaque facteur de risque (chlorures, dioxyde de soufre, effet piégeur) est lié à un certain nombre de points et le CRF est calculé comme suit :

CRF = F1 + F2 + F3

Où:

F1 = risque d'exposition aux chlorures des eaux saumâtres ou aux sels déglaçants
F2 = risque d'exposition au dioxyde de soufre
F3 = régime de nettoyage ou exposition au lavage par la pluie

En additionnant tous les facteurs (pour plus de détails, se référer au tableau A1 de l'EN 1993-1-4), on obtient le CRF qui est ensuite corrélé à cinq classes de résistance à la corrosion, et aux aciers inoxydables les plus courants :

Je ->CRF = 1
II —> 0 ≥ CRF > -7 —> par ex. AISI 304
III —> -7 ≥ CRF > -15 —> par ex. AISI 316-316L-316Ti-duplex 2304
IV —> -15 ≥ CRF ≥ - —> par ex. Duplex 2205
V —> CRF < -20 —> par ex. HCR

4) SOLUTIONS À LA CORROSION : REVÊTEMENTS DE PROTECTION À BASE DE ZINC ET SES ALLIAGES

La protection du zinc contre les métaux ferreux a une double nature :

1. Le zinc en surface réagit avec l’air humide pour former de l’oxyde de zinc, qui est stable.
2. Le zinc offre une protection électrochimique. Chaque métal possède son propre potentiel électrochimique : celui du fer est de -0,44V et celui du zinc est de -0,76V. Lorsque deux métaux sont immergés dans un électrolyte, l'électricité (les électrons) passe comme dans une « batterie » et le métal le plus électronégatif (le zinc) se « sacrifie » en perdant des électrons et en se corrodant à la place du fer.

Il existe différents types de revêtements à base de zinc et de ses alliages qui offrent différents niveaux de protection. Le tableau ci-dessous présente les plus importants :