Corrosion

La corrosion sert à désigner l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant. Il faut en exclure les effets purement mécaniques, mais la corrosion peut se combiner avec les effets mécanique...


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Corrosion - Réaction chimique - Chimie générale - Électrochimie

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La rouille ; exemple le plus familier de corrosion
Les antifoolings ne limitent que provisoirement la corrosion des coques de bateaux
Machine de mine abandonnée dans une mine. La corrosion de l'acier peut être exacerbée par un air humide, ou ici acidifé par des vapeurs d'origine volcanique
Corrosion différentiée sur deux métaux plus et moins oxydables
La Galvanisation est un des moyens de protéger certains métaux de l'oxydation
Anodes sacrifiée (à base de zinc) protégeant une coque de navire de la corrosion électrochimique
Effondrement du Silver Bridge (ici vu du côté de l'Ohio) suite à la corrosion des poutrelles métalliques

La corrosion sert à désigner l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant (le dioxygène et le cation H+ en majorité). Il faut en exclure les effets purement mécaniques (cela ne concerne pas, par exemple, la rupture sous l'effet de chocs), mais la corrosion peut se combiner avec les effets mécanique et donner de la corrosion sous contrainte et de la fatigue-corrosion ; de même, elle 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 à l'air ou dans l'eau, telles la rouille du fer et de l'acier ou la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton). Cependant, la corrosion est un domaine énormément plus vaste qui touche toutes sortes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) dans des environnements variables (milieu aqueux, atmosphère, hautes températures).

L'étude principale des phénomènes de corrosion relève principalement de l'électrochimie. L'étude appliquée des phénomènes de corrosion est un domaine de la science des matériaux, qui comporte à la fois des notions de chimie et de physique (physico-chimie).

La corrosion est un problème industriel important : le coût de la corrosion, qui recouvre la totalité des moyens de lutte contre la corrosion, le remplacement des pièces ou ouvrages corrodés et les conséquences directes et indirectes des accidents dus à la corrosion, est estimé à 2% du produit brut mondial) [1]. Chaque seconde, ce sont quelques 5 tonnes d'acier qui sont ainsi transformées en oxydes de fer...

Corrosion des métaux

La corrosion des métaux est un phénomène naturel. Il existe de rares cas de métaux présents à l'état natif naturellement :

Mais dans l'écrasante majorité des cas, le métal est présent sur Terre sous forme d'oxyde, dans les minerais : bauxite pour l'aluminium, hématite pour le fer, chalcopyrite pour la cuivre, rutile pour le titane, … Depuis la préhistoire, le travail de métallurgie a consisté à diminuer ces oxydes dans des bas-fourneaux puis des hauts-fourneaux pour fabriquer le métal. La corrosion n'est qu'un retour à l'état d'oxyde naturel.

La corrosion des métaux est dans la grande majorité des cas une réaction électrochimique (une oxydo-réduction) qui fait intervenir la pièce manufacturée et l'environnement.

Exemples de corrosion de contact (à propos de ce phénomène, voir la page de discussion)  :

Il faut par conséquent prendre en compte

Cela conditionne le type de corrosion et la vitesse de corrosion ; dans les installation industrielles, on définit ainsi des zones de risque de corrosion nommées boucles de corrosion.

La forme de la pièce et les traitements subis — mise en forme, soudure, vissage — jouent un rôle essentiel. Ainsi, un assemblage de deux métaux divers (par exemple deux nuances d'acier, ou le même acier traité différemment) peut créer une corrosion accélérée ; on voit d'ailleurs fréquemment des traces de rouille au niveau des écrous. 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 par conséquent pourra aboutir à une corrosion locale accélérée. Toute hétérogénéité peut conduire à une corrosion locale accélérée, comme par exemple aux cordons de soudure. L'hétérogénéité de l'environnement auquel est soumis une pièce métallique de composition régulière peut susciter une corrosion dite par'pile de concentration'. Il en est de même pour une pièce métallique située dans une solution de composition semblable mais connaissant des agitations non-uniformes. Une plaque métallique partiellement immergée subira une corrosion située dite'à la ligne d'eau'.

Approche de la protection contre la corrosion

La corrosion est par conséquent un phénomène qui dépend du matériau utilisé, de la conception de la pièce (forme, traitement, assemblage) et de l'environnement. Le processus de corrosion peut aussi être ralenti en agissant sur la réaction chimique en elle-même.

On parle d'immunité quand le métal est stable en présence du milieu corrodant.

Exemple de formule de corrosion

\mathrm{Fe + Cl_2\longrightarrow Feˆ{2+}(aq) + 2\ Clˆ{-}(aq)}

Cette formule correspond par exemple à la réaction de corrosion des canalisations métalliques d'eau potable par le dichlore gazeux servant originellement à détruire les microorganismes. Il ne faut pas faire l'amalgame avec l'effet des ions chlorures de l'eau de mer sur la vitesse de corrosion (cf. article passivation).

L'atmosphère contient des acides HNO3, H2SO4, etc., résidus de combustion. Ces acides attaquent les métaux :

\mathrm{Fe + 2\ Hˆ{+}\longrightarrow Feˆ{2+} + H_2}

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, n H2O : la rouille, cet hydroxyde est poreux et ne protège pas le fer. Mais en milieu réducteur (peu ou pas d'oxygène) neutre ou modérément basique, c'est l'eau qui oxyde le fer ; on peut alors obtenir la magnétite Fe3O4, qui elle est modérément protectrice. L'acier inoxydable, couramment désigné par "acier inox", contient du chrome, au minimum 12 % 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 indispensable à l'oxydation, on parle alors de passivation. Le terme indique un net ralentissement de la vitesse de corrosion comparé à la cinétique d'origine de corrosion. Cependant, la corrosion n'est pas annulée mais fortement ralentie, de quelques ordres de grandeur. L'effet protecteur du chrome croit généralement avec sa teneur. Un minimum de 12 % est indispensable, mais les aciers conçus pour 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 particulièrement élevé, plus même que celui du chrome (1% Mo ∼ 2, 5% Cr).

Choix du matériau

La première idée est de choisir un matériau qui ne se corrode pas dans l'environnement reconnu. 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…). Dans l'absolu, il n'existe pas de matériau réellement inoxydable.

Le terme d'«acier inoxydable» 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), et d'autre part, 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 tels que «304», «304L», «316N» etc., qui correspondent à la norme américaine AISI, nommés aussi sous la norme AFNOR respectivement Z6CN18-10, Z3CN18-10 Z6CN17-12Mo. Z indique la teneur en carbone (Z6 = 0.06 %) C le pourcentage en chrome et N en nickel. Le Z6CN17-12Mo contient du molybdène, il est plus passif que le Z6CN18-10. Chaque acier correspond à certains types d'environnements, son utilisation dans d'autres environnements pourraît être catastrophique.

Conception de la pièce

Dans la conception, il faut s'attacher à éviter les zones de confinement, les contacts entre matériaux divers et les hétérogénéités généralement.

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

Dans un environnement fermé (par exemple un circuit fermé d'eau), il devient envisageable de maîtriser les paramètres ayant une influence sur la corrosion : composition chimique (surtout acidité et dureté de l'eau), température, caractère plus ou moins abrasif et vitesse ou pression du fluide transporté, etc... Il existe aussi des produits dits «inhibiteurs de corrosion».

Ce type de solutions est inapplicable 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 :

Dans l'industrie automobile, on protège le fer en créant un réaction chimique avec ce dernier. Le produit, imperméable, protègera le métal : c'est la parkérisation.

Le chromage a été totalement abandonné[2]. En effet, le chrome en lui-même ne se corrodait pas, par conséquent 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 particulièrement rapidement. Les peintures anti-corrosion au plomb ont été aussi abandonnées à cause de leur impact sur l'environnement.

Notes

  1. Bernard Normand, Nadine Pébère, Caroline Richard, Martine Wery, Prévention et lutte contre la corrosion : une approche scientifique et technique, PPUR, 2004, 798 p. (ISBN 2-88074-543-8)  
  2. attention à 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, quelquefois nommée cémentation au chrome, qui est une diffusion d'atomes de chrome dans les couches superficielles d'un acier

Voir aussi

Liens externes

Bibliographie

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
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