Types de métaux qui ne rouillent pas

Introduction

Les métaux sont omniprésents dans l'industrie moderne et notre vie quotidienne, mais nombre d'entre eux sont sujets à la rouille lorsqu'ils sont exposés à l'humidité ou à des environnements contenant de l'oxygène, ce qui altère leur aspect et réduit leur durée de vie. Cependant, tous les métaux ne sont pas affectés par la rouille. Certains métaux sont naturellement résistants à l'oxydation et à la corrosion grâce à leurs propriétés chimiques uniques, ce qui les rend idéaux pour des applications durables.

Cet article explore les causes de la rouille sur les métaux, ainsi que plusieurs métaux résistants à la corrosion, en détaillant leurs caractéristiques, leurs usages courants et les raisons de leur résistance à la rouille. HYT est convaincu qu'après la lecture de cet article, vous serez en mesure de choisir le matériau métallique antirouille le mieux adapté à votre projet.

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Pourquoi les métaux rouillent-ils ?

Lorsqu'on évoque le problème de la rouille sur les métaux, on fait en réalité référence à celui des métaux ferreux (pour la distinction et les caractéristiques des métaux ferreux et non ferreux, veuillez consulter cet article). Les métaux ferreux désignent principalement le fer et divers alliages à base de fer, les plus courants étant la fonte et l'acier. Leur point commun est leur forte teneur en fer.

Lorsque les métaux ferreux sont exposés à l'oxygène et à l'humidité, le fer qu'ils contiennent s'oxyde. Le principal produit est l'oxyde de fer hydraté (Fe₂O₃·nH₂O), une substance friable de couleur brun rougeâtre ou orangée, communément appelée rouille. Bien que les structures en acier paraissent robustes à l'œil nu, les molécules d'eau peuvent s'infiltrer dans les moindres interstices du métal, amorçant ainsi le processus de corrosion. En présence de sel, comme dans l'eau de mer, la corrosion est encore plus rapide. L'exposition au dioxyde de soufre et au dioxyde de carbone accélère également ce processus.

La rouille sur l'acier a de nombreux effets néfastes sur le matériau. Elle réduit non seulement sa résistance et sa ténacité, diminuant ainsi sa capacité de charge, mais forme également des piqûres de corrosion en surface, provoquant des concentrations de contraintes et accélérant l'apparition de fissures de fatigue. De plus, la rouille altère la planéité et la précision dimensionnelle de la surface de l'acier, affectant l'assemblage des pièces mécaniques. La couche de rouille entrave également l'adhérence des revêtements anticorrosion, aggravant ainsi la corrosion. En milieu humide ou corrosif, la rouille peut continuer à s'étendre, entraînant une défaillance structurelle ou une perte de fonction, et augmentant les coûts de maintenance et de remplacement.

Qu'est-ce que la corrosion ?

On fait souvent peu de distinction entre la rouille et la corrosion des métaux. Or, la rouille est une forme de corrosion. La corrosion des métaux est un terme générique désignant le processus de destruction de tous les métaux par des réactions chimiques ou électrochimiques, telles que l'oxydation et la dissolution. On distingue principalement la corrosion chimique (ou corrosion sèche) et la corrosion électrochimique (ou corrosion humide), selon leur mécanisme. La rouille du fer et des alliages de fer est un exemple de corrosion électrochimique.

Types de métaux qui ne rouillent pas

Le traitement de la rouille sur le fer et ses alliages est une tâche longue, fastidieuse et coûteuse. La meilleure solution consiste donc à opter pour un traitement de surface adapté ou à utiliser des métaux inoxydables. Bien que la rouille affecte principalement les métaux ferreux, certains d'entre eux y sont particulièrement résistants. De nombreux métaux non ferreux présentent également une bonne résistance à la corrosion.
Les métaux courants qui ne rouillent pas comprennent :

Métaux ferreux et traitements de surface :

Acier Corten ou acier patinable
Acier inoxydable
Acier galvanisé

Métaux non ferreux :

Aluminium
Cuivre
Bronze
Laiton
Or, argent, platine
Ces métaux sont choisis non seulement pour leur résistance à la corrosion, mais aussi pour leur durabilité, leur facilité d'entretien et leur capacité à supporter des conditions environnementales difficiles. Choisir le bon métal permet de prolonger la durée de vie d'une structure ou d'un produit et de réduire les coûts à long terme liés à la réparation, au remplacement ou à l'entretien.

Acier Corten ou acier patinable

L'acier patinable, également appelé acier COR-TEN ou acier Corten, doit son appellation à ses deux caractéristiques principales : sa résistance à la corrosion (COR) et sa résistance à la traction (TEN). Cet acier est composé de divers éléments d'alliage, tels que le cuivre, le chrome et le manganèse, dont le plus important est le cuivre.

Au début de son utilisation, lorsque l'acier Corten est exposé à l'air et à l'humidité, il s'oxyde et rouille comme l'acier au carbone ordinaire. Cependant, sous l'effet des variations environnementales, une couche d'oxyde protectrice, stable et dense, appelée patine, se forme à sa surface. La patine empêche l'humidité et l'oxygène de pénétrer dans l'acier, ralentissant ainsi sa corrosion.

De plus, la formation de la patine de l'acier Corten peut être accélérée par un traitement de pré-rouille en usine afin de réduire l'impact des facteurs environnementaux sur l'acier après sa mise en service.

Acier inoxydable

L'acier inoxydable est un matériau très courant, également un acier allié. Sa composition inclut au minimum du chrome (11%). Le chrome, élément présent dans l'acier inoxydable, possède une réactivité métallique plus élevée et réagit plus facilement avec l'oxygène que le fer. Ainsi, avant que le fer n'entre en contact avec l'air, le chrome réagit avec l'oxygène pour former une couche passive stable et dense à la surface du matériau. Le principal composant de cette couche est l'oxyde de chrome (Cr₂O₃). Cet oxyde empêche l'oxygène, l'humidité et les ions chlorure de pénétrer et de corroder le matériau.

L'oxyde de chrome possède une certaine capacité d'auto-réparation dans la plupart des environnements corrosifs classiques. Cependant, dans des conditions de travail plus sévères, comme les environnements à forte concentration de chlore, l'oxyde de chrome présent à la surface de certains aciers inoxydables peut se dégrader, entraînant la corrosion du matériau de base. Dans ce cas, il est nécessaire de choisir des aciers inoxydables à plus haute teneur en chrome, tels que les aciers 316, 321 et l'acier inoxydable duplex 2205, qui contiennent des éléments d'alliage comme le molybdène et le nickel. Ces éléments d'alliage confèrent à ces aciers inoxydables une meilleure résistance à la corrosion.
Les matériaux en acier inoxydable sont largement utilisés dans de nombreuses industries à forte demande telles que l'énergie, l'océanographie et le forage en raison de leur grande propreté biologique, de leur résistance, de leur résistance à la corrosion et de leur solidité structurelle.

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Acier galvanisé

L'acier galvanisé est un acier recouvert d'un revêtement spécial. Le dépôt d'une couche de zinc sur l'acier ou le fer permet d'améliorer la résistance à la corrosion des produits métalliques.

L'acier galvanisé est un type d'acier doté d'un revêtement spécial en surface. Ce revêtement de zinc permet d'améliorer la résistance à la corrosion des produits métalliques, qu'il s'agisse d'acier ou de fer.

Le zinc présente une réactivité métallique supérieure à celle du fer. En milieu humide ou corrosif, la couche de zinc superficielle s'oxyde en premier, formant une couche protectrice. Le principal composant de cette couche est l'oxyde de zinc (ZnO) ou le carbonate de zinc (ZnCO₃). Cette couche protectrice empêche la corrosion de l'acier et du fer par l'oxygène et l'humidité. Ce mécanisme est appelé protection par anode sacrificielle.

En comparaison, bien que le cuivre, le nickel et d'autres métaux puissent également servir de matériaux de revêtement, leur réactivité est inférieure à celle du fer. En cas de détérioration du revêtement, le fer réagit avec l'oxygène avant le cuivre, le nickel et les autres matériaux. Le matériau de base reste donc vulnérable à la corrosion, et le coût de ces revêtements métalliques demeure relativement élevé.

Même si la couche de zinc est endommagée, le zinc restant réagira d'abord avec l'oxygène pour former une couche protectrice, empêchant ainsi la formation de rouille et prolongeant la durée de protection. Par conséquent, compte tenu de facteurs tels que le coût et l'environnement d'utilisation, la galvanisation est un procédé de traitement de surface antirouille très rentable et largement répandu.

L'acier galvanisé est principalement produit par galvanisation à chaud (HDG) et électrogalvanisation (EG).

La principale différence entre ces deux procédés de galvanisation est que la galvanisation à chaud immerge directement le matériau dans du zinc liquide en fusion (à plus de 450 °C) pour former une couche de zinc plus épaisse, ce qui lui confère une forte résistance à la rouille et peut garantir une résistance à la rouille à long terme, ce qui convient aux applications en environnement extérieur difficile ;

L'électrogalvanisation forme une couche de zinc mince et uniforme sur la surface du métal par dépôt électrolytique. Bien que cette couche soit relativement mince et peu résistante à la corrosion, sa surface lisse et son aspect esthétique supérieur la rendent adaptée à la fabrication de petites pièces de précision.

À surface unitaire égale, le coût du procédé de galvanisation à chaud est inférieur à celui de l'électrogalvanisation, il est donc plus adapté à la production à grande échelle.

Aluminium

L'aluminium est le troisième élément le plus abondant après l'oxygène et le silicium. C'est un métal aux réserves très importantes et aux applications très variées. L'aluminium ne contient pas de fer, et dans la plupart des cas, ce dernier n'intervient pas dans son processus de fusion et de transformation ; par conséquent, l'aluminium ne rouille pas. De plus, il réagit avec l'oxygène pour former une fine couche anticorrosion, l'oxyde d'aluminium, qui protège le métal de la corrosion. Contrairement à la rouille, qui se détache du matériau de base, l'oxyde d'aluminium y adhère. Il protège ainsi durablement le matériau de base de la corrosion due aux facteurs environnementaux.

L'aluminium ne rouille pas et possède une excellente résistance à la corrosion ainsi qu'un rapport résistance/poids élevé ; c'est pourquoi de nombreuses pièces d'avions et d'automobiles sont fabriquées en aluminium. Cependant, sa faible résistance à la traction le rend généralement allié à d'autres éléments (comme le cuivre, le magnésium, le silicium et le manganèse) afin d'améliorer ses propriétés mécaniques.

Métaux rouges : laiton, cuivre, bronze

Les métaux rouges comprennent le laiton, le cuivre et le bronze. Leur composition chimique principale ne contient pratiquement pas de fer, c'est pourquoi ils ne rouillent pas.

Cuivre

Le cuivre est un métal naturel, l'un des rares à exister directement à l'état métallique. Ne contenant pas de fer, il ne rouille pas naturellement, mais s'oxyde progressivement au contact de l'air. Aux premiers stades de l'oxydation, sa surface fonce, passant d'une teinte rose orangée à un brun noirâtre ou brun foncé. Ceci est principalement dû à la formation d'oxyde de cuivre et d'oxyde cuivreux, respectivement rouges et noirs, qui protègent le cuivre de la corrosion et y adhèrent. Avec le temps, l'oxyde de cuivre s'oxyde davantage au contact de l'oxygène pour former du Cu₂(OH)₂CO₃, de couleur verte ou bleu-vert, appelée vert-de-gris. C'est pourquoi on observe souvent une pellicule verte sur les anciennes structures en cuivre.

Bronze

Le bronze n'est pas un métal naturel, mais un alliage de cuivre contenant généralement 88 % de cuivre (TP3T) et 12 % d'étain (TP3T). Ne contenant pas de fer, il ne rouille pas. Les réactions d'oxydation du bronze sont similaires à celles du cuivre ; nous ne les détaillerons donc pas ici. Cependant, des conditions de travail trop agressives, notamment en présence de substances acides, peuvent provoquer la “ maladie du bronze ”. Ce phénomène est dû à la réaction des chlorures présents dans le cuivre avec le cuivre pour former du CuCl₂, ce qui fragilise le matériau et réduit ses propriétés mécaniques. Plus tendre que le cuivre pur, le bronze possède une bonne ténacité. Il est fréquemment utilisé pour la fabrication de sculptures, d'instruments de musique, d'éléments architecturaux et pour des applications navales.

Laiton

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc. Bien qu'il contienne également du fer, en très faible quantité, il ne rouille pas. Sa réaction d'oxydation est similaire à celle du cuivre ; je n'entrerai donc pas dans les détails. Le laiton a une couleur proche de l'or, un bel aspect, une grande résistance et une bonne ductilité. C'est pourquoi il est souvent utilisé comme matière première pour la fabrication d'objets décoratifs, d'instruments de musique, d'articles ménagers et d'autres produits.

Or, argent, platine

L'or, l'argent et le platine sont appelés métaux précieux. Ce sont des métaux purs qui ne contiennent pas de fer et ne rouillent donc pas. De plus, ils ne s'oxydent pas.

Conclusion

Lors du choix des matières premières métalliques pour un projet, on s'intéresse souvent en premier lieu à leur résistance à la rouille. Cependant, comme expliqué précédemment, la rouille n'est qu'une forme de corrosion. Bien que les métaux mentionnés ci-dessus ne rouillent pas, ils restent sensibles à d'autres facteurs environnementaux et peuvent subir divers phénomènes de corrosion. Ces corrosions entraînent une diminution de la résistance structurelle et des propriétés mécaniques des produits métalliques, engendrant de graves risques pour la sécurité.

Par conséquent, le choix des matériaux métalliques doit s'appuyer sur une analyse approfondie de multiples facteurs. Du point de vue des conditions d'application, il convient de considérer l'humidité, le pH, la température, les variations électrochimiques, les contraintes physiques, etc. Du point de vue du projet global dans lequel ces matériaux sont intégrés, il est essentiel d'évaluer des facteurs tels que les coûts de maintenance et la durée de vie des installations.

Par exemple, dans les applications marines, les environnements corrosifs agressifs sont des conditions de travail plus fréquentes ; un matériau présentant une excellente résistance à la corrosion, tel que l’acier inoxydable 316 et duplex 2205, serait donc un meilleur choix. Dans la production de biens tels que les automobiles et les aéronefs, il est impératif de prendre en compte à la fois les économies de carburant et la résistance structurelle ; on privilégiera donc l’alliage de titane, un matériau offrant un excellent rapport résistance/poids. Enfin, pour les applications à haute température et haute pression, la priorité sera donnée aux alliages à base de nickel, un matériau capable de conserver de bonnes propriétés mécaniques dans ces conditions.

Les conditions de travail sont nombreuses dans le secteur industriel. Si vous ne savez pas quel matériau choisir, n'hésitez pas à contacter notre équipe technique HYT. Nous nous engageons à fournir à nos clients des solutions complètes en matière de matériaux métalliques afin de les aider à réduire leurs coûts et délais, tout en améliorant la sécurité et la rentabilité de leurs projets.