Analyse comparative de l’acier inoxydable et de l’acier au carbone plaqué/revêtu

L’objectif de ce document est d’aborder la corrosion en termes généraux - et non de fournir une référence complète concernant toutes les formes de corrosion ou une analyse détaillée des forces et faiblesses d’alliages spécifiques. La corrosion de l’acier inoxydable et de l’acier au carbone sont très différents et ce document fournira des informations sur l’attaque générale ou la corrosion de surface, car il s’agit souvent d’une considération primordiale lors du choix du matériau de fixation.

L’acier au carbone et l’acier inoxydable sont les matériaux les plus courants dans lesquels sont fabriquées les fixations et chacun est disponible dans des centaines d’alliages ou de qualités avec une grande variété d’attributs. Le coût initial d’un composant en acier inoxydable est généralement plus élevé que celui de l’acier au carbone, mais pas toujours. Par exemple, le matériau représente une plus petite part du coût d’une goupille spiralée légère que celui d’une goupille pleine de même diamètre et de même longueur. Par conséquent, la goupille spiralée en acier inoxydable peut être disponible à un coût égal ou inférieur à celui de la goupille pleine en acier au carbone. En outre, les processus secondaires, tels que le traitement thermique ou le placage, augmentent souvent le coût des pièces en acier au carbone alors qu’ils ne sont pas forcément nécessaires pour l’acier inoxydable. Le coût n’a pas de sens si l’on ne tient pas compte de la valeur. Par exemple, le fabricant d’un barbecue d’extérieur haut de gamme peut choisir des fixations en acier inoxydable capables de résister à la corrosion bien plus longtemps que la durée de vie prévue du produit. Cette sélection témoigne d’un engagement envers l’intégrité du produit, l’apparence esthétique et la longévité. La « valeur » d’une fixation qui offre une qualité maximale peut compenser toute augmentation de coût associée. Le même fabricant peut opter pour des fixations en acier plaqué moins chères pour un modèle vendu sous une marque discount si le consommateur prévu est plus sensible au coût qu’à la qualité. Ces deux raisons sont valables pour choisir un matériau plutôt qu’un autre, mais le choix de l’acier inoxydable exige que le client tienne compte de la valeur autant que du coût. Les concepteurs doivent peser les coûts, les avantages et les risques lorsqu’ils choisissent le matériau de fixation approprié. 

SPIROL fabrique des goupilles spiralées, des goupilles fendues, des goupilles pleines, des inserts, des produits tubulaires, des écrous usinés, des limiteurs de compression, des cales et des ressorts à disque au service d’une grande variété d’industries dans le monde entier. Bien que SPIROL fabrique des pièces à partir de nombreux matériaux, tant ferreux que non ferreux, le champ d’application de ce document se limite aux produits en métal ferreux, et plus particulièrement à l’acier inoxydable et au carbone. Les produits ferreux de SPIROL sont fabriqués à partir de quatre groupes de matériaux standard primaires :

• Acier à faible teneur en carbone
• Acier et alliages à haute teneur en carbone
• Acier inoxydable martensitique au chrome (AISI 410 &  420, EN/DIN 1.4516 & 1.4021)
• Acier inoxydable austénitique au nickel (AISI 302, 304, 305 ou EN/DIN 1.4319, 1.4301, 1.4303)

Bien que l’acier au carbone et l’acier inoxydable soient tous deux des métaux ferreux, c’est-à-dire qu’ils contiennent du fer, leur réaction aux attaques corrosives est très différente. Par définition, l’acier inoxydable doit contenir au moins 10,5 % de chrome. Lorsqu’il est exposé à l’oxygène, cet élément d’alliage crée une couche d’oxyde de chrome à la surface qui cesse rapidement de croître, devenant ainsi « passive ». Cette couche passive est continue, uniforme en épaisseur, insoluble et non poreuse. La couche passive empêche le contact entre l’oxygène de l’environnement et le métal de base et se cicatrise d’elle-même en cas de rayure ou d’abrasion, tant que l’oxygène reste disponible. La couche passive ne fait que 10 à 100 atomes d’épaisseur et n’a donc aucun impact dimensionnel sur les pièces. Bien que l’acier inoxydable puisse se corroder lorsqu’il est exposé à certains agents chimiques dans des conditions spécifiques, il ne rouille pas par attaque uniforme ou générale comme le fait l’acier au carbone. En tant qu’élément d’alliage, le chrome fait partie d’un mélange homogène et est considéré comme sûr car il ne peut pas être facilement libéré de l’alliage. Une dernière remarque concernant l’acier inoxydable est la facilité relative avec laquelle il est recyclé. L’acier inoxydable est recyclable à 100 % et les analystes du secteur estiment que 80 à 90 % de l’acier inoxydable mis au rebut est récupéré pour être recyclé.

Les fixations en acier au carbone sont généralement moins chères que celles en acier inoxydable et il existe des finitions qui offrent une excellente résistance à la corrosion. Il convient de noter que ces finitions contribuent à la croissance dimensionnelle qui doit être prise en compte dans la conception. L’acier au carbone peut être protégé de la corrosion par la peinture, le placage ou le revêtement. La peinture n’est généralement pas appropriée pour les fixations, car il s’agit plutôt d’un procédé en rack que d’un procédé en vrac, et elle n’est donc pas rentable. Le placage et le revêtement sont les méthodes prédominantes de préservation de l’acier au carbone, bien que certains de ces procédés soient tombés en désuétude en raison de leur impact environnemental. Des exemples de f initions considérées comme dangereuses sont le cadmium et les chromates hexavalents. La dernière décennie a vu l’arrivée à maturité de revêtements et de plaques en vrac capables de fournir une excellente résistance à la corrosion à faible coût tout en satisfaisant aux réglementations environnementales actuelles. Malgré ces progrès, la susceptibilité du métal de base à la rouille reste un talon d’Achille. La grande majorité des revêtements sont sacrificiels, ce qui signifie qu’ils n’offrent une protection que jusqu’à ce qu’ils soient épuisés. Dès que le métal de base est exposé, il rouille. Voici quelques exemples de finitions et de revêtements disponibles, mais sans s’y limiter :

• Revêtement de conversion au phosphate de zinc - généralement suivi d’une application d’huile ou d’un autre agent antirouille. L’application secondaire d’un agent antirouille détermine la résistance à la corrosion, qui peut être minime ou concurrentielle par rapport aux plaques et autres revêtements.
• Zinc appliqué mécaniquement - le risque minimal de fragilisation par l’hydrogène est le principal avantage de cette finition. La finition peut être plus épaisse que celle de l’électrodéposition et n’est pas aussi lisse. Elle est souvent accompagnée d’une application secondaire de chromate et/ou de produits d’étanchéité pour améliorer les performances.
• Zinc électrolytique - généralement accompagné d’une application supplémentaire de chromate trivalent et souvent d’un produit d’étanchéité final. Ces finitions présentent un risque de fragilisation par l’hydrogène pour les aciers à haute résistance, bien que les pièces soient généralement cuites afin d’éliminer ce problème potentiel.
• Zinc nickel électrolytique - résistance à la corrosion plus élevée que le zinc électrolytique traditionnel. Comme pour l’électrodéposition de zinc standard, ce procédé nécessite également la cuisson de l’acier à haute résistance pour réduire le risque de fragilisation par l’hydrogène.
• Revêtements lamellaires d’aluminium et de zinc - Procédé de filage par trempage permettant d’obtenir une résistance à la corrosion très élevée sans risque de fragilisation par l’hydrogène.

Les exigences de l’essai au brouillard salin consistent généralement en deux critères simples : le nombre d’heures nécessaires à la formation de la corrosion blanche, puis le nombre d’heures nécessaires au début de l’attaque de la rouille rouge (ou du métal de base). La concentration de sel, la température et le temps sont soigneusement contrôlés. La majorité des revêtements et des plaques reposent sur une couche de métal non ferreux appliquée sur le métal de base, suivie d’un trempage au chromate et, selon les exigences de performance, d’un scellant organique ou inorganique. Lorsque ces finitions se dégradent, elles le font dans l’ordre inverse de celui dans lequel elles ont été appliquées. Une fois que l’environnement corrosif a percé les couches extérieures d’étanchéité et de chromate, il commence à attaquer le métal non ferreux situé en dessous. C’est alors que commence la corrosion blanche. Les métaux non ferreux tels que le zinc, le nickel, l’aluminium et le magnésium ne contiennent pas de fer et ne rouillent pas. La rouille rouge ne devient visible qu’après l’épuisement du métal sacrificiel (voir figure 2).

Parmi les deux aciers inoxydables proposés par SPIROL, l’acier inoxydable austénitique (ou nickel) offre la meilleure résistance à la corrosion tandis que l’acier inoxydable martensitique (ou chrome) est plus facilement attaqué. L’acier inoxydable au nickel présente deux avantages : 1) la teneur en chrome passe de 12 à 18 %, et 2) 8 % de nickel sont ajoutés pour augmenter la résistance aux attaques des acides minéraux. L’association du chrome et du nickel dans le bon rapport permet la création d’une structure austénitique. L’acier inoxydable au chrome martensitique peut être moins résistant à la corrosion ; cependant, il peut être traité thermiquement pour obtenir une résistance plus élevée, et le faible taux d’écrouissage qui s’ensuit offre une excellente résistance à la fatigue.

Pour démontrer la différence entre l’acier inoxydable et l’acier au carbone revêtu, deux goupilles pleines ont été fabriquées avec une géométrie identique dans chaque matériau. La goupille en acier inoxydable a été passivée tandis que la goupille en acier à faible teneur en carbone a été revêtue d’un produit lamellaire en zinc (voir figure 5). Après 720 heures, la pièce revêtue s’est bien comportée, bien que la corrosion blanche soit facilement visible. Une fois que le zinc est épuisé, la rouille commence à apparaître. En revanche, les goupilles en acier inoxydable austénitique sont pratiquement inchangées (voir figure 6). Une goupille en acier inoxydable de série 300 correctement passivée peut offrir une protection de 2 500 heures contre le brouillard salin.

Comme indiqué précédemment, l’acier inoxydable martensitique est moins résistant à la corrosion que l’acier inoxydable austénitique et, pour cette raison, il n’est généralement pas testé au brouillard salin. Les aciers inoxydables 410 et 420 offrent tous deux une bonne résistance à la corrosion dans l’atmosphère normale, l’eau douce, les fluides corporels et les environnements culinaires, ainsi que dans les acides oxydants doux tels que l’acide chromique et l’acide nitrique. Les goupilles en acier inoxydable martensitique suivantes ont été placées dans un brouillard salin et observées pendant une période de 300 heures. Les taches étaient évidentes au bout de 48 heures et de petites piqûres commençaient à se former. Après 300 heures, les piqûres étaient sévères et facilement visibles sur les photographies suivantes (voir les figures 7, 8, 9 et 10).