Technologie/Matériaux/Généralités/Aciers inoxydables
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■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ Aspects généraux ■ Éléments de machines | ||||||
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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]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 :
- 4 Cr + 3 O2 → 2 Cr2O3
- 2 Ni + O2 → 2 NiO
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 :
- Que les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité. C'est ainsi qu'ils résistent au chlore, gaz pourtant très corrosif, pourvu que ce dernier soit parfaitement sec.
- L'action des solutions aqueuses est telle que la corrosion électrochimique prend la pas sur la corrosion chimique directe ; la bonne tenue du matériau dépend, comme cela a été écrit plus haut, des potentiels électrochimiques en surface et de leur répartition.
- comme l'aluminium, métal extrêmement oxydable qui se recouvre d'un oxyde protecteur, les aciers inoxydables se comportent de manière active lorsqu'ils viennent d'être usinés, décapés ou polis et de manière passive lorsque les attaques extérieures ont permis de former la « peau » qui les protège.
- une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très grande homogénéité pour éviter des corrosions locales et un passage de l'état actif à l'état passif en tous les points de la surface exposée.
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
[modifier | modifier le wikicode]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 :
- La corrosion intergranulaire, en cheminant entre les microcristaux, finit par désagréger le métal. Elle est liée à la précipitation de carbure de chrome le long des joints. Pour qu'elle se produise, trois conditions doivent être remplies : au moins 0,035 % de carbone, une sensibilisation par un maintien à une température de 400 à 800° (notamment par le biais du soudage), un milieu extérieur acide avec un pouvoir oxydant compris entre deux limites bien définies. Cette corrosion se distingue par exemple par deux entailles de couleur sombre qui se trouvent aux abords d'un cordon de soudure. Cette corrosion est particulièrement vicieuse car elle se développe dans des endroits confinés, à des niveaux de liquide minimum et elle provoque très souvent la ruine de l'assemblage.
- La corrosion par piqûres n'est généralement pas due à une hétérogénéité du matériau mais à la présence accidentelle d'une poussière métallique 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 sous tension provoque la mise hors service très rapide des objets qu'elle attaque. Elle est heureusement très rare. Pour qu'elle se produise, il faut que les pièces comportent des parties mises en tension, même faiblement, sous l'effet des contraintes de service ou des effets secondaires des soudures, de l'emboutissage ... et qu'elles soient en outre exposées à un milieu corrosif de type eau impure, solutions de chlorures même très diluées, soude caustique chaude.
On peut noter également l'existence de phénomènes particuliers, comme :
Rôle des éléments d'addition
[modifier | modifier le wikicode]- C'est au chrome et à lui seul que l'on doit la résistance des aciers inoxydables aux agents oxydants.
- Le nickel favorise la formation de structures homogènes de type austénitique, intéressantes pour éviter la corrosion mais à éviter soigneusement dans le domaine du frottement .
- Le molybdène et le cuivre améliorent la tenue dans la plupart des milieux corrosifs, en particulier ceux qui sont acides, mais aussi dans les solutions phosphoriques, soufrées, etc. Le molybdène accroît la stabilité des films de passivation.
- Le tungstène améliore la tenue aux températures élevées des aciers inoxydables austénitiques.
- Le titane doit être utilisé à une teneur qui dépasse le quadruple de la teneur en carbone. Il est utilisé d'abord pour "piéger" le carbone sous forme de carbonitrures de Ti et les nuances dites "stabilisées" EN 1.4571 - AISI 16Ti et EN1.4541 - AISI 321 sont normalisées. Par contre les nitrures de titane TiN sont extrêmement stables et sont à l'origine de défauts sous-cutanés dans les brames et les blooms qui augmentent sensiblement la mise au mille.
- Le Niobium (Columbium) dans les aciers inox ferritiques freine la croissance du grain à haute température par la précipitation de carbonitrures de Niobium. On parle alors de ferritiques stabilisés. Le principal avantage est de rendre les aciers ferritiques soudables. Le Zirconium est parfois utilisé en plus du niobium dans les aciers inox ferritiques (on parle alors de bi-stabilisation)
Types d'aciers inoxydables
[modifier | modifier le wikicode]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).
- Les aciers martensitiques sont utilisés lorsque l'on recherche des caractéristiques de résistance mécanique élevées. Les plus courants titrent 13 % de chrome avec au moins 0,08 % de carbone. D'autres nuances sont plus chargées en éléments d'addition, avec éventuellement un faible pourcentage de nickel.
- Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe. On trouve dans cette catégorie des aciers réfractaires à haute teneur en chrome (jusqu'à 30 %), particulièrement intéressants en présence de soufre.
- Les aciers austénitiques sont de loin les plus nombreux, en raison de leur résistance chimique très élevée, de leur ductilité comparable à celle du cuivre ou du laiton et aussi de leurs bonnes caractéristiques mécaniques. Les teneurs en éléments d'addition tournent autour de 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et la stabilité améliorée par des éléments tels que le titane ou le niobium.
- Les aciers austéno-ferritiques (dits aussi Duplex) ont été développés en Suède dans les années 1930 pour améliorer la tenue à la corrosion des équipements utilisés dans les procédés de fabrication du papier sulfurisé. Ces nuances d'aciers ont été initialement créées pour lutter contre des problèmes de corrosion causés par la présence de chlore dans les eaux de refroidissement ainsi que d'autres constituants chimiques agressifs présents et véhiculés dans les fluides inhérents aux procédés de fabrication de ce papier.
- La dénomination duplex vient du fait de leur structure biphasée composée de ferrite complétée de 40 à 60% d'austénite ; ils sont aussi désignés, bien qu'improprement, comme appartenant à la famille des aciers austéno-ferritiques, ce qui n'est pas justifié de par leur solidification d'abord en alliage ferritique (ferrite delta) suivie d'une transformation, en phase solide, en alliage austénitique ; ils devraient donc être désignés comme des aciers inoxydables ferrito-austénitiques.
- Les aciers inoxydables duplex couvrent différentes nuances classées en fonction de leur composition chimique. Celle-ci est basée sur une teneur élevée en chrome, nickel et molybdène améliore la résistance à la corrosion intergranulaire et par piqûres. La présence des deux phases de microstructure garantit une plus grande résistance aux piqûres et la fissuration par corrosion en comparaison avec les aciers inoxydables classiques.
- La première génération de ces nuances d'aciers était basée sur des alliages de chrome, de nickel et de molybdène ; malgré une bonne résistance à la corrosion, le soudage provoquait une chute de la ductilité (résilience) due à la présence massive de microstructure ferritique, ce qui a limité l'usage de l'acier duplex à quelques applications spécifiques.
- Dans les années 1970, le développement des champs de gaz et de pétrole de la Mer du Nord et les problèmes spécifiques de corrosion auxquels a été confrontée l'industrie offshore a fait que de nouvelles nuances d'acier duplex ont été mises au point et très vite acceptées par les sociétés d'ingénieries. Ces nouvelles nuances se caractérisent par l'ajout d'azote (gammagène) pour améliorer la ténacité du joint soudé et améliorer la résistance à la corrosion par le chlore. L'ajout d'azote favorise le durcissement structural par un mécanisme de fine dispersion interstitielle, ce qui augmente la limite d'élasticité et la résistance à la rupture sans dégrader la ténacité.
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
[modifier | modifier le wikicode]Les facteurs favorables à la lutte contre la corrosion sont également applicables aux aciers inoxydables :
- Les surfaces doivent être décapées pour éliminer tous les oxydes résultant du travail à chaud : laminage, forgeage, traitements thermiques, assemblages par soudure, etc.,
- Ne traiter thermiquement que des pièces propres et sèches, sans traces de graisses, de résidus de produits dégraissants, et surtout sans particules ferreuses. Le nettoyage à l'acide nitrique avant traitement est généralement une excellente solution,
- Supprimer les tensions résiduelles résultant d'un écrouissage à froid, en particulier celles qui résultent de l'emboutissage,
- Éviter, lors de la conception des pièces, de créer des zones difficiles à nettoyer,
- Éviter tous les contacts non indispensables entre les pièces d'acier inoxydables et les autres matériaux, métalliques ou non,
- Plus encore pour les aciers inoxydables que pour les autres métaux, l'état de surface doit être particulièrement soigné car il conditionne l'établissement d'un film passivant.
Influence de divers milieux
[modifier | modifier le wikicode]- Eaux industrielles : l'eau pure est sans effet mais les chlorures (et dans une moindre mesure beaucoup d'autres sels), même à l'état de traces, sont particulièrement néfastes pour les aciers inoxydables ; les nuances contenant du molybdène sont alors les plus indiquées.
- Vapeur d'eau : normalement sans effet, elle peut toutefois poser des problèmes si elle contient certaines impuretés.
- Atmosphères naturelles, à l'exception des atmosphères marines : elles posent d'autant moins de problèmes que l'acier contient davantage d'éléments nobles et que la surface est mieux polie.
- Atmosphères marines et industrielles : les aciers au chrome s'altèrent très lentement mais on préfère en général utiliser des aciers au molybdène.
- Acide nitrique : il attaque la plupart des métaux industriels mais l'acier inoxydable en général lui résiste particulièrement bien, par suite de la passivation de sa surface : le molybdène n'est intéressant que si l'acide contient des impuretés.
- Acide sulfurique : la résistance dépend beaucoup de la concentration et la présence d'impuretés oxydantes améliore la passivation. D'une manière générale les nuances austénitiques contenant du molybdène sont les meilleures.
- Acide phosphorique : la résistance est généralement bonne mais il faut surveiller les impuretés, en particulier l'acide fluorhydrique.
- Sulfites acides : la corrosion peut être catastrophique car ces solutions, que l'on rencontre souvent dans les papeteries, comportent beaucoup d'impuretés ; là encore les alliages au molybdène sont préférables.
- Acide chlorhydrique : la corrosion augmente régulièrement au fur et à mesure que la concentration augmente, l'association est donc à éviter.
- Acides organiques : ils ne sont généralement pas aussi corrosifs que les acides minéraux et ceux que l'on rencontre dans l'industrie alimentaire : les acides acétique, oxalique, citrique, etc. sont pratiquement sans effet.
- Solutions alcalines : les solutions froides n'ont pratiquement pas d'action mais il n'en est pas de même pour les solutions concentrées et chaudes.
- Solutions salines : le comportement est généralement assez bon, sauf en présence de certains sels comme les chlorures ; les nitrates au contraire favorisent la passivation et améliorent la tenue.
- Produits alimentaires : il n'y a généralement aucun problème de corrosion sauf avec certains produits qui contient des composants sulfureux naturels ou ajoutés, comme la moutarde et les vins blancs.
- Produits organiques : ils sont généralement sans action sur les aciers inoxydables, saufs s'ils sont chlorés : les colles, savons, goudrons, produits pétroliers, etc. ne posent aucun problème.
- Sels et autres produits minéraux fondus : les produits alcalins corrodent tous les aciers inoxydables mais les nitrates, cyanures, acétates, ... ne les attaquent pas. La plupart des autres sels et des métaux fondus produisent des dégâts rapides.
Mise en œuvre des aciers inoxydables
[modifier | modifier le wikicode]Problèmes particuliers du travail à chaud
[modifier | modifier le wikicode]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 :
- Ils sont très mauvais conducteurs de la chaleur,
- Leur résistance mécanique est élevée, surtout dans le cas des austénitiques (à froid ce sont au contraire les martensitiques les plus résistants),
- Le grain tend à grossir à chaud et ne peut être régénéré que par corroyage,
- Le travail doit être suivi d'un recuit et d'un décapage permettant de profiter de la résistance à la corrosion.
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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]Soudage et brasage
[modifier | modifier le wikicode]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.
- Les aciers martensitiques se prêtent mal au soudage homogène. Il est techniquement plus simple d'utiliser un apport austénitique si le nickel n'est pas proscrit.
- Les aciers ferritiques, lorsqu'ils sont soudés en homogène, tendent à devenir fragiles et devraient, lorsque c'est possible, être hypertrempés après soudure si l'on veut bénéficier de bonnes caractéristiques mécaniques. Comme pour l'acier martensitique ci dessus, il est techniquement plus simple d'utiliser un apport austénitique si le nickel n'est pas proscrit.
- Les aciers austénitiques sont les plus aptes au soudage mais il faut choisir avec soin le métal d'apport des baguettes ou des électrodes, en général avec un diagramme de Schaeffler, afin d'avoir 5 à 15 % de ferrite dans le cordon de soudure, afin d'éviter le phénomène de fissuration à chaud.
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.
- Un assemblage entre de l'acier « classique » au carbone-manganèse et de l'inox et toujours possible. Par exemple, on peut souder un acier dit « de construction », de type S 295, raisonnablement chargé en carbone (au plus 0,37 %, attention à cette valeur qui est un paramètre important de sécurité de l'assemblage) avec un acier inoxydable austénitique à bas carbone de type 304L / 316L (X2 CrNi 18-10 ; X2 CrNi 19-12). On pourra choisir un métal d'apport de type 309L ou 309L Mo (X2 CrNiMo 23-12-2), sous forme d'électrode, de fil massif, de fil fourré, et l'atmosphère sera constituée d'argon(TiG), des produits de décomposition de l'enrobage de l'électrode enrobée ou d'un mélange ternaire Argon/CO2/H2 (MiG/MaG/fil fourré).
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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]Du point de vue de l'usinage les aciers inoxydables peuvent être classés en deux catégories :
- Les aciers ferritiques et surtout martensitiques s'usinent pratiquement de la même manière que les aciers de construction classiques de même dureté, il est cependant conseillé de réduire légèrement les vitesses de coupe.
- Les aciers austénitiques se distinguent des aciers de construction ordinaire par leur faible limite d'élasticité, leur allongement important avant rupture et leur forte aptitude à l'écrouissage, ce qui oblige à modifier les conditions d'usinage dans des proportions parfois très importantes. D'une manière générale il faut utiliser des machines plus puissantes, très rigides, ne vibrant pas, et fixer très énergiquement les pièces que l'on veut travailler. On privilégiera les fortes profondeurs de passe à des vitesses relativement faibles.
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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]Décapage et passivation
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]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
[modifier | modifier le wikicode]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.