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Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine et chirurgie, etc. Comme les autres aciers, ce sont des alliages de fer et de carbone auquel on vient ajouter du chrome et d'autres éléments, notamment le nickel, mais aussi parfois le molybdène et le vanadium, afin d'améliorer la résistance à la corrosion.
| Sommaire |
Les phénomènes de corrosion des métaux sont surtout de nature électrochimique. En présence d'une solution de type électrolyte, le potentiel métal-solution varie selon les points de la surface et de ce fait, des courants électriques apparaissent et provoquent l'endommagement du métal.
La résistance à la corrosion dépend de la valeur de ces potentiels et surtout de leur répartition sur les surfaces. Toutes les hétérogénéités donnent naissance à des couples électriques, à commencer par celles qui résultent des différences de structure et de composition des microcristaux qui constituent le matériau lui-même. D'autres hétérogénéités sont dues à la présence de soudures, de rivets, de façonnages locaux entraînant un écrouissage (dans les tôles pliées par exemple), mais aussi au frottement contre des pièces antagonistes ou même à de simples rayures.
A chaud, la diffusion des agents corrosifs dans l'épaisseur du métal peut compliquer encore le problème.
La lutte contre la corrosion est une préoccupation constante dans beaucoup de domaines industriels. Une solution relativement simple consiste à recouvrir la surface à protéger par un matériau insensible au milieu agressif, matériau qui peut être métallique ou non. Les peintures, les vernis, certains traitements de surface, les revêtements métalliques de plomb, de zinc, de nickel, de chrome, etc. peuvent être souvent utilisés avec succès. Il est possible également de remplacer les métaux par d'autres matériaux de plus grande inertie chimique comme le graphite, la céramique, le verre, les matières plastiques, etc.
En plus de la résistance à la corrosion qui caractérise les matériaux énumérés plus haut, les aciers inoxydables possèdent une qualité déterminante qui est la résistance mécanique.
L'élément d'alliage auquel les aciers inoxydables doivent leur principale caractéristique est le chrome. Contrairement à ce que l'on croit généralement, ce métal est très réactif du point de vue chimique et il est en particulier très oxydable, mais son oxyde forme une véritable peau à la fois transparente et protectrice. Allié au fer et au nickel, il provoque la formation d'un composé de surface oxydé capable de ralentir ou même d'arrêter totalement la corrosion.
Le chrome et le nickel s'oxydent ainsi :
Le terme « inoxydable » est en fait trompeur et très mal choisi ...
Comme nous le verrons, il existe de très nombreuses nuances d'acier inoxydables et le choix est parfois difficile, car ils n'ont
pas tous le même comportement dans un milieu donné. On les désigne souvent par les pourcentages massiques en nickel et en chrome.
Ainsi, un inox 18/10, tel que ceux utilisés en coutellerie, pour les couverts et pour la cuisine en général, contient 18 %
en masse de chrome et 10 % en masse de nickel. Cette désignation est en fait très insuffisante car elle ne préjuge en rien
de la structure métallurgique ...
La teneur en chrome est dans tous les cas d'au moins 12 %. D'autres éléments d'alliage, pour l'essentiel des métaux relativement
« nobles » comme le nickel, le molybdène, le cuivre, améliorent encore la résistance chimique, en
particulier dans les milieux non oxydants.
Les propriétés de résistance de ces alliages ont été découvertes en 1913 lorsque l'on s'aperçut que des échantillons polis en vue d'examens de laboratoire ne subissaient pas d'oxydation. En fait, on peut dire :
Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se situe entre le molybdène et le mercure, non loin de l'argent et du platine.
Le dépôt de particules ferreuses sur les surfaces d'acier inoxydable est très dangereux en milieu humide, car la rouille sert de catalyseur et la surface finit par se « piquer ».
Comme tous les métaux, ces aciers peuvent subir une corrosion chimique uniforme qui 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 :
Les aciers au chrome sont ferritiques et magnétiques à l'état adouci. Certains se comportent comme des aciers spéciaux auto-trempants, d'autres ne se trempent que partiellement ou pas du tout. Les aciers au nickel-chrome sont en général austénitiques et le traitement d'hypertrempe, loin de les durcir, a au contraire la propriété de les adoucir. Il existe d'innombrables nuances appropriées aux usages les plus divers.
En ce qui concerne l'usage, on distingue les aciers martensitiques, ferritiques et austénitiques.
catégories et parmi eux se trouvent des alliages particulièrement aptes à la soudure et d'autres très résistants à la corrosion intergranulaire.
La connaissance des types d'acier est essentielle pour les systèmes constitués d'éléments assemblés mécaniquement ou par soudage, la mise en présence de deux aciers inoxydables trop différents dans un électrolyte peut en effet provoquer des phénomènes de corrosion électrochimique très destructeurs.
Les facteurs favorables à la lutte contre la corrosion sont également applicables aux aciers inoxydables :
Par rapport à d'autres matériaux métalliques, les aciers inoxydables possèdent certaines propriétés particulières dont il faut tenir compte lors de la mise en forme :
Les pièces massives doivent donc être chauffées lentement jusqu'à environ 800°C avant d'être portées plus rapidement à la température de travail, qui se situe aux alentours de 1000°C. Il faut éviter avant tout la décarburation des aciers martensitiques, le maintien prolongé à haute température des aciers ferritiques et des aciers austénitiques, dont le grain grossit facilement et se révèle difficile ou parfois même impossible à régénérer. Le refroidissement rapide à l'eau, après travail, est souvent préconisé.
C'est le plus souvent sous forme de tôles ou de tubes que l'on utilise les aciers inoxydables, et dans ce cas on est souvent obligé de pratiquer un recuit d'adoucissement après des opérations telles que l'emboutissage, pour éviter le maintien de contraintes résiduelles trop élevées.
Le dégraissage avant traitement doit être particulièrement soigné, les atmosphères oxydantes sont les plus indiquées et les atmosphères carburantes doivent être proscrites.
Les aciers martensitiques trouvent leur principale utilisation en construction mécanique, sous forme de pièces massives. Pour obtenir la résistance voulue, ils sont généralement trempés puis revenus. L'adoucissement s'impose généralement après l'écrouissage résultant du travail à froid. Le revenu abaissant la résistance à la corrosion, il vaut mieux utiliser une nuance moins riche en carbone qui diminue l'intensité de la trempe et permet d'éviter un revenu à trop haute température.
Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe mais il faut souvent les recuire, par exemple entre deux passes d'emboutissage ou en cas de soudure. Un trop long maintien à température élevée engendre une certaine fragilité par suite du grossissement du grain.
Les aciers austénitiques et austéno-ferritiques sont adoucis par un traitement à haute température, de 900°C jusqu'à 1150°C, suivi d'un refroidissement aussi rapide que possible. La résistance à la corrosion, particulièrement à sa forme intergranulaire, nécessite de pratiquer autant que possible un traitement d'hypertrempe.
La détente des tensions internes peut se faire à température relativement basse, environ 400 ou 450°C.
Les aciers inoxydables à durcissement structural nécessitent des traitements particuliers selon les nuances.
Toutes les techniques habituelles du travail à froid sont applicables aux aciers inoxydables et donc aux pièces obtenues à partir de tôles ou de fils que l'on peut trouver dans d'innombrables objets d'usage courant.
Les aciers inoxydables sont relativement durs et cette dureté s'élève par écrouissage, au fur et à mesure qu'on les déforme. Ce phénomène est particulièrement marqué pour les aciers asténitiques. Les aciers ferritiques s'écrouissent moins mais l'allongement qu'on peut leur imposer est plus faible.
Le « retour élastique » après formage est beaucoup plus grand que pour les aciers doux « ordinaires ».
La lubrification entre les pièces en cours de formage et les outils est essentielle mais ne pose pas de problèmes particuliers pour la plupart des opérations. Toutefois, pour les pièces à caractère décoratif il faut faire attention à la formation de défauts superficiels par suite d'un grippage intempestif. L'emploi d'outils en acier trempé, en fonte méhanite ou encore en cupro-aluminium, ainsi que les protections par des vernis pelables ou des feuilles plastiques constituent souvent une bonne solution.
L'écrouissage diminue la résistance à la corrosion et crée parfois un magnétisme résiduel. Un recuit permet de restaurer les structures.
Le pliage à la presse ou à la molette ne présente pas de difficulté particulière.
L'emboutissage nécessite des machines deux fois plus puissantes que celles qui servent pour l'acier doux. La pression exercée par les serre-flans doit être suffisante pour éviter les plissements mais pas trop pour éviter les déchirures. Les fontes alliées au nickel-chrome donnent les meilleurs outillages, les feuilles minces peuvent être conformées dans des matrices en alliage cuivre-zinc. Les congés doivent avoir un rayon ni trop petit, ni trop grand, pour éviter à la fois un écrouissage excessif et les plissements, on prend en général entre 5 et 10 fois l'épaisseur des flans. La lubrification s'effectue avec tous les lubrifiants classiques, solutions savonneuses, huiles solubles ou non, avec dans les cas difficiles des ajouts de lubrifiants solides ou de matières chimiquement actives : plomb, talc, graphite, bisulfure de molybdène, huiles sulfurées ou sulfochlorées, additifs phosphorés, ... Les recuits se font de préférence en atmosphère oxydante et autant que possible aussitôt après l'emboutissage.
Le repoussage ne pose pas de problème particulier, les précautions à prendre sont les mêmes que pour l'emboutissage, les meilleurs outils sont en acier cémenté.
Les méthodes classiques de soudage des aciers doux restent valables dans l'ensemble ; on recherche naturellement des soudures saines, sans porosités, dotées d'une bonne résistance mécanique, mais ici il faut en outre qu'elles conservent les qualités de résistance à la corrosion qui sont celles des matériaux de base.
Il faut avant tout limiter dans toute la mesure du possible les pertes en chrome, en raison du rôle essentiel de cet élément qui, rappelons-le, est très oxydable. On protège donc les cordons de soudure par divers moyens, le laitier d'enrobage des électrodes, une flamme de chalumeau neutre, ou encore une atmosphère de gaz inerte (argon par exemple). Comme pour les traitements thermiques il faut soigneusement dégraisser les pièces et proscrire tout ce qui pourrait produire une carburation du métal.
On a toujours intérêt à privilégier les méthodes qui limitent dans le temps et dans l'espace la fusion du métal : le soudage par résistance (par points, à la molette, par étincelage) donne d'excellents résultats et il ne faut pas oublier le brasage, qui ne provoque aucune fusion de l'acier lui-même. Le « soudage » à l'étain donne de très bons résultats à condition que les pièces soient très soigneusement nettoyées et que l'on élimine soigneusement toute trace de décapant à la fin de l'opération. Les brasures à l'argent donnent des joints très résistants mais les brasures au cuivre et à l'étain sont déconseillées car elles introduisent une certaine fragilité du métal de base.
Les rivets en acier inoxydable donnent des joints bien serrés en raison de leur coefficient de dilatation élevé. Au-dessous de 5 mm on peut riveter à froid. L'étanchéité est généralement moins bonne que lorsque l'on rivète des aciers ordinaires, en raison de l'absence de rouille.
Il est bien entendu conseillé de ne pas « marier » les métaux de façon disparate, afin d'éviter la corrosion électrochimique que cela ne manquerait pas de provoquer. La visserie et la boulonnerie en acier inoxydable s'impose donc tout naturellement.
Du point de vue de l'usinage les aciers inoxydables peuvent être classés en deux catégories :
Les angles de coupe doivent être les plus grands possibles pour accentuer la solidité des arêtes et faciliter l'évacuation de la chaleur.
Les liquides de coupe jouent un rôle particulièrement important dans le cas des aciers austénitiques. Une très forte onctuosité (capacité d'un lubrifiant à se fixer solidement aux parois par suite de divers phénomènes d'adsorption) est nécessaire : on utilisera donc des huiles minérales soufrées ou sulfochlorées additionnées éventuellement de corps gas comme l'huile de ricin ou de colza.
Les aciers ferritiques et martensitiques se travaillent comme les aciers courants, mais pas les austénitiques. Ceux-ci ont une forte propension au grippage et il faut veiller à la bonne dépouille latérale des scies et des poinçons ; la puissance des machines doit être nettement plus élevée. Dans tous les cas on veillera à bien éliminer les parties endommagées, particulièrement dans le cas de découpage au chalumeau.
Il faut avant tout éliminer toute la calamine, les particules ferreuses plus ou moins adhérentes à la suite du passage dans les outillages de fabrication ou du brossage à la brosse métallique, les résidus d'outillages abrasifs (surtout s'ils ont auparavant servi à travailler des aciers ordinaires). Le décapage chimique et le sablage sont vivement conseillés.
Il faut toujours veiller à ce que les pièces que l'on met en service soient convenablement passivées, ce qui peut se faire si on les abandonne suffisamment longtemps à l'air ou si on les oxyde chimiquement pour gagner du temps.
Pour éviter la contamination des surfaces, les outils de meulage et de polissage doivent autant que possible être réservés au travail des aciers inoxydables. Les pellicules graisseuses qui se forment souvent au cours de ces opérations doivent être soigneusement éliminées car elles isolent le métal et empêchent sa passivation.
Le polissage est indiqué seulement dans les cas où il peut réellement améliorer l'état de surface, on peut souvent s'en passer pour les tôles laminées à froid.
Autant que possible on soignera la qualité des soudures pour que l'on n'ait pas besoin de les parachever par meulage, car cette opération diminue leur résistance.
Le polissage électrolytique provoque généralement moins de pertes de matière que le polissage mécanique. Cependant il doit être conduit selon des prescriptions très strictes pour donner de bons résultats.
Dans beaucoup de cas un nettoyage au savon suffit. Il existe des détersifs appropriés mais rien ne vaut en fin de compte l'acide nitrique qui élimine les dépôts et laisse une surface très bien passivée.
