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.
Rappels sur la corrosion.
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 .
À 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, les céramiques, le verre, les matières plastiques, etc.
Généralités sur les aciers inoxydables.
Par rapport à leurs possibles substituts, les aciers inoxydables restent difficilement remplaçables au regard de leurs caractéristiques mécaniques élevées : résistance aux efforts, dureté et résistance aux chocs. Aucun des autres matériaux énumérés plus haut ne cumule toutes ces propriétés.
L'élément d'alliage auquel les aciers inoxydables doivent leur résistance à la corrosion 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... Un néologisme comme « incorrodable » (analogue au terme « rustless » en anglais) serait plus correct, puisque c'est la corrosion (destruction lente par action chimique) qui est freinée.
Comme nous le verrons, il existe de très nombreuses nuances d'acier inoxydables et le choix est parfois difficile, car elles 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 ». C'est la pollution dite « ferritique ».
Types de corrosion des aciers inoxydables.
Comme tous les alliages métalliques, 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 :
On peut noter également l'existence de phénomènes particuliers, comme :
Types d'aciers inoxydables.
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, austénitiques et auténito-ferritiques (encore appelés aciers duplex).
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.
Conditions à réunir pour favoriser la résistance à la corrosion.
Les facteurs favorables à la lutte contre la corrosion sont également applicables aux aciers inoxydables :
Mise en œuvre des aciers inoxydables.
Problèmes particuliers du travail à chaud.
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.
Traitements thermiques.
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.
Formage à froid.
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 austénitiques. 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...
Assemblage des aciers inoxydables.
Soudage et brasage.
Les méthodes classiques de soudage des aciers doux restent valables dans l'ensemble ; on cherche naturellement à obtenir des soudures saines, sans porosités, dotées d'une bonne résistance mécanique, mais dans le cas des aciers inoxydables les soudures doivent en outre conserver les qualités de résistance à la corrosion des matériaux assemblés.
Il faut avant tout limiter 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.
Lors du soudage avec procédé sous gaz inerte, la qualité de celui-ci est déterminante ; on privilégiera toujours une base argon de très haute pureté, notamment pour les procédés TIG, plasma et micro-plasma. Dans le cas de la soudure dite « semi-automatique », on peut employer pour un acier austénitique type CrNi 18-10 une base argon + CO2 à 3.5% maxi + H2 à 1% afin de faciliter le décrassage de la soudure et d'obtenir une bonne pénétration. L'envers de la soudure doit être obligatoirement protégé par une atmosphère gazeuse choisie avec soin : si l'on travaille sur des tôles fines ou des chanfreins sur tôles épaisses, il faut employer un traînard qui va diffuser du gaz sur la soudure et ses abords portés à haute température. Pour les inox ferritiques, réfractaires, martensitiques, austéno-ferritiques on recommande un inertage à l'Argon de haute pureté (99.9995%). Pour les inox austénitiques et super-austénitiques, un inertage à l'argon de haute pureté ou à l'azote de haute pureté.
Voici une liste quasi exhaustive des procédés de soudure employés couramment pour le soudage des aciers inoxydables :
Electrodes enrobées à enrobage rutile ou basique, ou rutilo-basique,
SMAW (Shield Metal Arc Welding) - Procédé de soudage à l'arc électrique à l'électrode enrobée,
GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) - procédé TiG,
A-GTAW (Activated Gas Tungsten Arc Welding) - procédé A-TiG (technique de pointe),
GMAW (Gas Metal Arc Welding) - procédés MiG/MaG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas),
FCAW (Flux-Cored Arc Welding) - procédé de soudage électrique au fil fourré (avec ou sans gaz de soudage, avec ou sans laitier),
PAW (Plasma Arc Welding) - procédé plasma (technique de pointe),
MPAW (MicroPlasma Arc Welding) - procédé microplasma (technique de pointe),
OAW (OxyAcetylene Welding) - procédé de soudage à la flamme oxyacétylénique,
SAW (Submerged Arc Welding) - procédé de soudage à l'arc électrique sous flux pulvérulent,
ESW (Electro Slag Welding) - procédé de soudage par effet joule sous flux pulvérulent,
FSW (Friction Stir Welding) - procédé de soudage par friction à l'état thixotropique (technique de pointe),
EBW (Electron Beam Welding) - procédé de soudage au faisceau d'électrons (technique de pointe),
LBW (Laser Beam Welding) - procédé de soudage au laser (CO2, YaG, architecture diodes...) (technique de pointe),
Soudures par diffusion de matière (technique de pointe), explosion (technique de pointe), résistance électrique, ultrasons...
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 des pièces à assembler. Le « soudage » à l'étain donne de très bons résultats à condition que les pièces soient très soigneusement nettoyées et que l'on élimine minutieusement toutes traces de décapant à la fin de l'opération. Le brasage à l'argent donne des joints très résistants mais le brasage au laiton (alliage de cuivre et de zinc) est déconseillé car il provoque une sérieuse fragilisation de l'assemblage pouvant aller jusqu'à la décohésion des grains.
Rivetage et boulonnage.
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.
Usinage.
Du point de vue de l'usinage les aciers inoxydables peuvent être classés en deux catégories :
L'angle de coupe doit être positif et suffisamment grand pour favoriser l'écoulement du copeau et diminuer ainsi la création d'arête rapportée. Des géométries à brise-copeaux sont vivement recommandées.
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 gras comme l'huile de ricin ou de colza.
Découpage.
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 donner une bonne dépouille latérale aux scies et aux poinçons ; la puissance des machines doit être nettement plus élevée. Dans tous les cas on veillera à bien éliminer les parties endommagées, particulièrement lors du découpage au chalumeau.
La découpe au chalumeau oxyacétylènique est très difficile du fait de l'auto-protection de ces aciers contre l'oxydation. Une technique ancienne et qui relève du bricolage consiste à faire un amorçage de la découpe « à la goutte de fer » en faisant fondre de l'acier au carbone-manganèse (ou acier noir), puis à démarrer la découpe sur l'inox. Cette technique crée des bords ayant un très mauvais aspect, inaptes au soudage et à la passivation. Avec les aciers inoxydables austénitiques, elle provoque en outre une pollution dite « ferritique », liée à l'amorçage et qui va faire rouiller l'inox malgré lui.
Le découpage d'un acier "noir" à proximité d'un acier inoxydable austénitique va piquer celui-ci, en le polluant avec les scories incandescentes issues de l'acier noir, par meulage ou tronçonnage notamment. Les rayures de l'acier noir sur l'inox austénitique provoquent parfois le même effet.
Le roulage des tôles d'inox se fait parfois à l'aide de rouleaux revêtus (Teflon). Le pliage peut également demander des exigences particulières.
Il faut retenir que pour la découpe de l'inox à l'abrasif, il y a le sciage, le meulage (avec un disque à meuler à bas taux de soufre, chlorure et carbone, disque qui sera uniquement en contact avec de l'inox et jamais avec l'acier noir). Les autres techniques par pression (poinçonnage, cisaillage) fonctionnent bien, mais attention à la déformation qui en résulte.
Pour la découpe thermique, plusieurs solutions sont possibles :
- La découpe au laser, très efficace,
- La découpe au jet d'eau, pratique pour les découpes de forme ou des découpes spatiale sur des épaisseurs moyenne (50 mm),
- La découpe au plasma, sous atmosphère d'air comprimé épuré ou d'un mélange argon/dihydrogène à 3% qui « dope » les performances. Cette solution remplace avantageusement la découpe au chalumeau oxyacétylénique. La gamme d'épaisseur va pour des postes manuels de 0,1 mm jusqu'à 60 mm. Des épaisseurs allant jusqu'à 150 mm sont possibles en automatique. Il est à noter que ce procédé engendre une dépouille, variable selon les torches, ce qui signifie que les chants de la tôle ne sont pas exactement perpendiculaires à la surface. Le plasma, colonne en rotation rapide, s'évase avec la profondeur. Les températures sont extrêmes et vont de 18 000 à 55 000 °C. Le coupage de tout matériau devient alors possible.
Traitements de surface.
Décapage et passivation.
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.
Meulage et polissage.
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.
Entretien.
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.