Le traitement de surface de l'acier inoxydable peut être plus efficace et plus respectueux de l'environnement
Des méthodes de traitement durables en plein essor
Une couche d'oxyde auto-cicatrisante protège l'acier inoxydable contre la corrosion, l'usure et les attaques chimiques. Cependant, des opérations telles que le soudage, le pliage et/ou l'usinage attaquent cette couche protectrice. Dans de nombreux cas, elles empêchent le rétablissement naturel, ce qui nécessite une intervention. Les méthodes de traitement "classiques" sont bonnes en soi, mais n'excellent pas en termes d'efficacité énergétique et de durabilité. Heureusement, là encore, la technologie n'est pas un vain mot.
L'équilibre
L'acier inoxydable présente une résistance accrue à la corrosion et aux attaques chimiques grâce à la présence d'une couche protectrice dense de trioxyde de dichrome (Cr2O3), appelée "couche d'oxyde". Celle-ci scelle le matériau sous-jacent, empêchant ou au moins retardant la formation de rouille.
Lorsque la surface est endommagée, la couche d'oxyde se répare d'elle-même, à condition qu'il y ait suffisamment d'oxygène. Un équilibre naturel est ainsi créé. Cependant, lors d'opérations telles que le soudage, le pliage ou l'usinage, cet équilibre peut être perturbé, ce qui entraîne un manque d'autocicatrisation. Certains chlorures, comme l'hypochlorite de sodium et le chlorure d'hydrogène, peuvent également endommager le mécanisme et donner lieu à une corrosion par piqûres (voir encadré).
Corrosion par piqûres
Certains ions "étrangers", dont les ions chlorure, peuvent attaquer la couche d'oxyde. Le métal est alors en quelque sorte perforé et des "piqûres" apparaissent: c'est la corrosion par piqûres ou pitting. Au départ, une piqûre peu profonde se produit juste à côté de la soudure. Lorsque de nouveaux ions chlorure s'y accumulent, la corrosion se poursuit et la piqûre devient plus profonde. Cette corrosion localisée est beaucoup plus grave que la corrosion générale ou uniforme et est également beaucoup plus difficile à contrôler. Les aciers inoxydables contenant un élément d'alliage, le molybdène, comme les aciers inoxydables 316 et 316L, sont plus résistants au chlore et résistent mieux à la corrosion par piqûres, mais la corrosion reste possible.
Parmi les différents traitements de surface, l'électropolissage offre la meilleure protection contre la corrosion par piqûres (le potentiel de corrosion par piqûres double).
Traitements de surface mécaniques
Le traitement de surface mécanique de l'acier inoxydable comprend les opérations qui appliquent une force pour modifier la surface, c'est-à-dire sans utiliser de produits chimiques.
Battage à la bille
Il s'agit de "bombarder" la surface de l'acier inoxydable avec de petites billes, généralement en acier, en céramique ou en verre. Celles-ci provoquent de petites déformations plastiques sur la surface. Il en résulte une contrainte résiduelle de compression qui agit à l'opposé des contraintes de traction produites par une charge normale, qui (peuvent) provoquer une corrosion sous contrainte et des fissures de fatigue. Après traitement, la couche d'oxyde est (beaucoup) plus résistante à cette dégradation mécanique.
Sablage humide avec un additif abrasif
Ce traitement permet d'obtenir une finition hygiénique et attrayante. Grâce à l'action abrasive, les décolorations et les oxydations peuvent être éliminées, ce qui rend le décapage et la passivation (voir les traitements de surface chimiques) inutiles dans de nombreux cas. L'eau potable pouvant provoquer des taches en raison de sa teneur relativement élevée en chlorure, il est préférable d'utiliser de l'eau déminéralisée ou traitée par osmose inverse.
Sablage ou microbillage avec des billes de verre ou de céramique
Cette technique permet d'éliminer les oxydes thermiques de la surface et d'obtenir un aspect uniforme et mat. Les billes de céramique se brisent moins rapidement que les billes de verre et causent donc moins d'écaillage, ce qui donne un résultat final plus lisse. Une surface lisse en acier inoxydable est facile à nettoyer et offre moins de possibilités de développement bactérien, bien qu'une surface trop lisse puisse réduire le mouillage et donc rendre le nettoyage moins efficace.
Meulage, polissage et brossage
Ces traitements sont conçus pour obtenir une finition spécifique de la surface de l'acier inoxydable, adaptée à l'application envisagée. La rugosité finale de la surface dépend fortement de la taille des grains du disque de polissage utilisé et du type d'acier inoxydable ; le polissage produit la rugosité la plus faible. Toutefois, ces opérations peuvent entraîner une augmentation de l'apport de chaleur.
Polissage par vibration
Il s'agit d'un processus automatisé, par lots, qui permet d'ébavurer, de lisser et/ou de faire briller des pièces en acier inoxydable. Les objets sont placés dans un conteneur vibrant ou vibratoire avec des milieux de meulage ou de polissage - par exemple, des copeaux de céramique ou de plastique - et (généralement) de l'eau avec un liquide savonneux (composé). Grâce aux vibrations, il y a un contact permanent entre les pièces et le support.
Traitements de surface chimiques
Les méthodes suivantes sont utilisées pour traiter la surface avec des produits chimiques sans utiliser d'opérations mécaniques. Les principales sont les suivantes:
Le décapage et la passivation
Le décapage consiste à éliminer la couche d'oxyde existante et les éventuels carbures (de carbone) - liaisons de carbone avec des métaux tels que le chrome ou le fer. Ces carbures peuvent affecter la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable.
La passivation rétablit la couche d'oxyde sur toute la surface. Elle se fait généralement à l'air ou à l'aide d'un passivant: l'acide nitrique est généralement utilisé pour l'acier inoxydable, tandis que l'acide chromique ou les chromates/dichromates sont utilisés pour l'aluminium, le zinc et l'acier ordinaire.
Après le décapage et la passivation, la couche d'oxyde retrouve son état d'origine. Toutefois, la présence éventuelle de carbures peut entraver l'adhérence de la couche de passivation.
Nettoyage/dégraissage chimique
Le nettoyage chimique ou le dégraissage de l'acier inoxydable s'effectue à l'aide de solutions fortement alcalines ou acides, en fonction de la nature de la contamination. Les agents basiques hydrolysent les graisses et les huiles en glycérol et en acides gras (formation de savon), tandis que les solutions acides réagissent sélectivement avec les oxydes de fer sans affecter la surface riche en chrome. Cette méthode est communément appelée prétraitement.
Amorphisation électrolytique
Dans cette technique relativement nouvelle, une couche non cristalline est appliquée à la surface du métal par un processus électrolytique. Contrairement aux métaux cristallins, un métal amorphe n'a pas de joints de grains (pas d'attaque sélective) ni de dislocations, ce qui lui confère une dureté et une résistance à l'usure plus élevées. Comme il n'y a pas non plus de défauts de réseau, le matériau présente un comportement homogène sous l'effet de la charge et des réactions chimiques.
Électropolissage (EP)
Ici aussi, l'objet se trouve dans un bain électrolytique pendant le processus, où il joue le rôle d'anode. Sous l'influence du courant électrique et de produits chimiques appropriés, le fer est dissous de manière sélective; les contaminants de surface sont également éliminés. La couche d'oxyde est considérablement plus épaisse et plus pure que celle d'une surface passivée, et elle brille plus fortement.
Traitement de surface thermochimique
Dans ces traitements, des éléments chimiques tels que le carbone, l'azote ou le bore se diffusent dans la surface du métal à haute température. Cela permet d'améliorer les propriétés des matériaux telles que la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion.
Boruration
Dans cette méthode, le bore se diffuse dans la surface du métal au niveau atomique. Lors dla boruration en phase gazeuse, la pièce est exposée à des gaz contenant du bore, tels que le trichlorure de bore ou le diborane, qui se décomposent et déposent du bore sur la surface de l'acier inoxydable.
Dans le cas de la boruration en phase liquide ou en phase poudreuse, l'objet est entouré d'une pâte contenant du bore ou placé dans un lit de poudre. Pendant l'échauffement, ce milieu libère du bore à la surface, créant une couche de borure dure et résistante à l'usure.
La carburation et la nitrocarburation
La carburation consiste à introduire des atomes de carbone dans la surface d'un métal. La température à laquelle elle se produit est relativement basse (400 à 450 °C). La nitrocarburation est une variante de la carburation, dans laquelle le carbone et l'azote sont introduits dans la surface à une température comprise entre 400 et 600 °C. Cette méthode combine les avantages de la carburation et de la nitruration (voir ci-dessous).
Nitruration gazeuse et nitruration ionique
Dans les deux cas, l'azote est introduit dans la surface de l'acier à une température comprise entre 500 et 550 °C. La nitruration gazeuse s'effectue en présence de gaz ammoniac (NH3). L'azote contenu dans ce gaz se diffuse dans l'acier et se combine avec les éléments d'alliage, par exemple le chrome. La nitruration ionique utilise un plasma d'azote gazeux ionisé dans lequel l'azote est plus actif et se diffuse donc plus rapidement. La nitruration ionique est donc plus propre et plus contrôlable que la nitruration gazeuse.
Oxydation
Dans cette méthode, la surface de l'acier inoxydable est modifiée chimiquement par une exposition contrôlée à un agent oxydant puissant qui oxyde sélectivement le fer et d'autres éléments d'alliage à la surface. Les agents les plus couramment utilisés dans ce contexte sont l'acide nitrique, les acides chromiques, le peroxyde d'hydrogène et l'acide citrique, à des températures comprises entre 20 et 60 °C. Dans le cas de l'oxydation thermique - oxydation par la chaleur en présence d'oxygène -, ces températures sont nettement plus élevées (200 à 400 °C).
Les innovations
En partie dans le contexte d'une production économe en énergie et durable, un certain nombre de développements intéressants ont eu lieu dans le domaine du traitement de l'acier inoxydable au cours des cinq dernières années.
Fusion sur lit de poudre par laser (LPBF)
Dans cette technologie de fabrication additive, un lit de poudre laser est fondu couche par couche pour créer un objet complexe en 3D. Des canaux internes et des surfaces rugueuses sont créés au cours du processus d'impression. Ils nécessitent de nouvelles méthodes de finition, notamment:
- Les méthodes de polissage électrochimique qui peuvent atteindre ces canaux internes;
- le grenaillage d'écrouissage par laser ciblé, qui permet d'augmenter localement la résistance à la fatigue en appliquant des contraintes de compression contrôlées à l'aide d'énergie laser ;
- La gravure chimique, dans laquelle l'objet est immergé dans un agent de gravure approprié dans lequel l'acide contenu dissout sélectivement le métal.
Revêtements en couches minces
Ces revêtements consistent en des couches de quelques nanomètres à quelques micromètres qui peuvent être appliquées par le biais, entre autres, des procédés suivants:
- Dépôt chimique en phase vapeur (CVD): de fines couches de matériau sont déposées sur un substrat par des réactions chimiques de précurseurs gazeux (les "éléments constitutifs" d'un processus chimique) ;
- Dépôt physique en phase vapeur (PVD): un solide est évaporé dans un environnement sous vide avant d'être déposé en couche mince sur l'objet. Dans ce que l'on appelle la pulvérisation cathodique, les atomes sont délogés de la "source" du matériau de revêtement par bombardement ionique et précipitent ensuite sur l'objet.
Les revêtements fonctionnels, dans lesquels la fonction de protection est combinée avec des propriétés telles que l'action antibactérienne ou hydrophobe, sont également en forte augmentation.
Texturation au laser
Cette méthode précise et non mécanique utilise un faisceau laser pour modifier la surface de l'acier inoxydable de manière contrôlée au niveau microscopique. Le laser agit comme un stylo non mécanique qui structure les surfaces en évaporant ou en faisant fondre la matière locale. Il crée ainsi de manière sélective des motifs microscopiques, des rainures ou des structures de surface qui peuvent améliorer les propriétés fonctionnelles telles que la friction, l'adhérence ou l'esthétique.
Traitements au plasma non thermique
Ces traitements utilisent un gaz (mélange) qui est transformé en plasma, un mélange d'ions, d'électrons, de radicaux libres, de molécules métastables et de photons. Il s'agit généralement d'une combinaison d'un gaz inerte et d'un gaz réactif qui sont ionisés électriquement. Le plasma "active" ou modifie les surfaces par des processus chimiques et physiques sans chauffer davantage le matériau.
Grâce aux connaissances accumulées au cours des dernières décennies, à l'innovation des techniques existantes et à l'arrivée de nouvelles techniques, le traitement de surface de l'acier inoxydable promet non seulement de devenir plus efficace et plus respectueux de l'environnement, mais aussi de continuer à offrir des opportunités en termes de fonctionnalité et de design.
En collaboration avec Packo Inox et Sir John
