Les aciers inoxydables

Introduction

L’acier inoxydable est un nom général regroupant divers d’aciers. Il s’agit d’un alliage de fer et de carbone possédant une bonne tenue à la corrosion. Ces aciers contiennent au moins 12 % de chrome qui forme une couche d’oxyde (Cr2O3) à la surface de sorte que l’acier ne rouille pas. Hormis le chrome, l’acier inoxydable peut contenir différentes proportions d’autres matières comme :

  • Le nickel, capable d'améliorer les propriétés mécaniques générales tels que la ductilité (capacité à se déformer sans rompre).
  • Le molybdène ou le titane, qui améliorent la stabilité de l'alliage.
  • Le vanadium et le tungstène, accompagné en général d'une augmentation de la teneur en chrome, pour améliorer la résistance aux hautes températures.

Une des manières d'éviter la corrosion consiste à mettre une quantité importante de chrome 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 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 son nom, l'acier n'est pas inoxydable. En effet, il s'oxyde rapidement, et un oxyde protecteur empêchant sa destruction.

Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se situe entre le molybdène et le mercure, à environ -1,66 V/ENH ce qui le place non loin du platine (élément pour lequel sa résistance à la corrosion est très forte).

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

  • L'ajout de nickel améliore les propriétés de la couche passive ; celui-ci s'intègre à la couche d'oxyde suivant la réaction :

2 Ni + O2 → 2 NiO

Le nickel est un élément qui permet de rendre l’acier plus malléable, il est alors possible de le travailler plus facilement.

  • Le carbone permet de tremper l'acier et d'obtenir un acier très dur et très solide. Cependant, le carbone a un effet négatif sur la capacité à souder l’acier et il peut piéger le chrome ce qui va gêner la formation de la couche passive et rendre l’acier plus sensible à la corrosion.
  • Le molybdène, le titane et le cuivre améliorent la résistance chimique, en particulier dans les milieux non oxydants.
  • Le niobium a un point de fusion beaucoup plus élevé que le titane et présente des propriétés semblables. Il est utilisé dans les aciers que l’on veut souder à la place du titane qui serait volatilisé pendant l’opération de soudure.
  • Le silicium est aussi utilisé car il a un rôle dans la résistance à l’oxydation, notamment vis-à-vis des acides fortement oxydants (acide nitrique concentré ou acide sulfurique concentré chaud).

Les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité. Une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très grande homogénéité pour éviter des corrosions locales et pour essayer d’obtenir une couche passive sur toute la surface du métal.

Types d´acier Inoxydable

Les aciers inoxydables peuvent être divisées en 3 types: martensitique, ferritique et austénitique.

Les aciers martensitiques

Ils sont utilisés lorsqu’il faut une résistance mécanique importante. Les plus courants sont constitués de 13 % de chrome et d’au moins 0,08 % de carbone. Il est également possible d’avoir un faible pourcentage de nickel.

Les aciers ferritiques

On trouve dans cette catégorie des aciers à haute teneur en chrome (jusqu'à 27 %), ce qui les rend extrêmement résistants en présence de souffre. Les aciers ferritiques sont principalement utilisés comme première couche de résistance à la corrosion des parois d'équipements sous pression en acier utilisés dans les industries pétrochimique et chimique.

Les aciers austénitiques

Ce sont les plus nombreux et les plus utilisés. Ils présentent une résistance chimique très élevée, une ductilité comparable à celle du cuivre et de très bonnes caractéristiques mécaniques. Dans ces aciers, il y a environ 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et il est possible d’améliorer leur stabilité en ajoutant des éléments tels que le titane ou le niobium. De par leur excellente ductilité, ces aciers sont utilisés dans une gamme de températures très grande, allant jusqu’à - 200 °C ce qui le rend par exemple utilisable dans le secteur de la cryogénie.

Dans notre étude, nous allons surtout nous intéresser aux aciers austénitiques. Ces derniers sont ceux qui correspondent le mieux aux contraintes liées à la STEP marine.

Types de corrosion

Comme tous les métaux, ces aciers peuvent subir une corrosion chimique uniforme. Ce type de corrosion attaque les surfaces de manière régulière ; on peut alors mesurer la masse perdue par unité de surface et par unité de temps.

D´autres formes de corrosion caractérisent les aciers inoxydables austénitiques et peuvent se révéler très gênantes à l´usage:

         La corrosion intergranulaire, en cheminant entre les microcristaux du métal, finit par désagréger le métal. Elle est liée à la précipitation de carbure de chrome le long des joints. Pour que cette corrosion apparaisse, il faut que trois conditions soient réunis : au moins 0,035 % de carbone, une température de 400 à 800 °C, un milieu extérieur acide avec un fort pouvoir oxydant. Dans notre cas, les températures sont très inférieures donc les risques liés à cette corrosion sont très faibles.

        La corrosion par piqûres est due à la présence accidentelle d'une poussière métallique à la surface du matériau qui, en milieu humide, forme une pile électrique. La surface de l'acier constitue alors la cathode et se corrode. On peut ainsi voir des tôles de 2 mm d'épaisseur se percer en quelques heures. Un milieu à la fois très acide et très oxydant peut produire des effets similaires.

La corrosion par piqûre sera donc la principale difficulté à gérer lors de l’utilisation des aciers inoxydables. Une mesure approximative de la résistance à la corrosion par piqûres est le PRE (Pitting Resistance Equivalent) déterminé de la manière suivant:

PRE = % poids Cr + 3,3 (% poids Mo) + 30 (% poids N)  pour les aciers austénitiques

Plus le PRE est faible, plus notre acier sera résistant à la corrosion par piqûre.

La détermination du PRE d´un acier inox permet de mettre en œuvre mise une analyse comparative entre les différents aciers inoxydables. L´acier 1.4301 a le PRE le plus bas de tous les aciers disponibles. Par conséquent il pourrait parfaitement convenir pour équiper notre STEP. Cependant, il s’avère que cet acier ne résiste pas bien à la corrosion par piqûre. Le PRE n’est qu’un indicateur et il faut toujours se référer à l'expérience pour confirmer la bonne résistance à la corrosion. Il s’avère alors que l’acier AISI 316 TI  (1,4401) est beaucoup plus résistant à la corrosion et possède un PRE assez faible.

Prix de l'acier inoxydable

Chaque année, le prix des minerais pour fabriquer l’acier augmente. Cependant, le coût pour transformer ces minerais en acier ne cesse de diminuer. De ce fait, une légère diminution du prix de l’acier inoxydable a été constatée au cours des dernières années.

Pour l'acier choisi, le prix est un petit peu plus élevé. Ce prix s'explique par la présence de titane, un métal relativement cher. Le prix obtenue se situe alors entre 1,15 et 5,62 $/kg.

Barres d´acier commercialisables

(Source: made in chine)

Page éditée par Alejandro Orsikowsky, Basile Payen et Javier Pierna