Download - Module IP spécialisation MCPC
Module IPspécialisation MCPC
Structure et propriétés des matériaux
Contenu du cours (18 h)
• La corrosion• Les traitements anti corrosion• Eléments de tribologie• Traitements superficiels par diffusion (cémentation, niruration, carbo-
nitruration)• Traitements de surface (PVD, Projection thermiques…)• Caractérisations physico-chimiques des surfaces (MEB, AFM…)• Caractérisations des propriétes mécaniques de surfaces (Dureté, E, Kc,
Kca…)• Tribologie et usure 1 – applications industrielles – A3TS – 18 mars• Tribologie et usure 2 – applications A3TS – 18 mars
Dégradation des métaux - Corrosion
Corrosion galvanique
Corrosion armatures de bétons
Corrosion généralisée
Corrosion intérieure de tube
Cette pelle a 2000 ans!
Généralités et modes de corrosions
La corrosion correspond un échange d’électrons entre un métal qui s’oxyde et un accepteur d’électrons qui correspond à un oxydant du milieu (aqueux ou atmosphérique)
Corrosion généralisée en milieu acide contenant de l’oxygène dissout
Corrosion généralisée en milieu basique ou neutre contenant de l’oxygène dissout (exemple du cuivre)
Les réactions d’oxydo réduction les plus courantes
Comment savoir qui s’oxyde et qui se réduit ?
On définit pour chaque couple d’oxydo réduction un potentiel standard
On applique la règle du « gamma »
Le couplage galvanique
Quelques cas de corrosions préférentielles
L’assemblage de deux métaux différents
Corrosion par hétérogénéité microstructurale
Corrosion de la perlite
Corrosion intergranulaire
Les piles de concentration
La zone anodique est celle où la concentration en oxygène dissout est la plus faible
Corrosion par piqûres (pitting)
Concerne les métaux protégés contre la corrosion généralisée : aciers inoxydables et aluminiumsApparait sur des « défauts » en surface (joint de grains, inclusion, dépassivation)
mécanisme
Corrosion intergranulaire
Exemple des aciers inoxydables :traitement thermique entre 425°C et 815°C : formation de carbures de chromes insolubles en joints de grains
La précipitation des carbures de chrome dans les joints de grains provoque une déchromisation locale.Les joints de grains ne sont plus protégés de la corrosion. La corrosion se propage le long des joints de grains.Des amorçages de fissures de fatigue peuvent provoquer une ruine de la pièce
Les solutions pour ce genre de corrosion : diminuer le taux de carbone 316L (éventuellement substitution par azote pour conserver les propriétés mécaniques 316 LN).
Corrosion des soudures
Exemple de la corrosion desacier inoxydables austénitiques
Point A : Température suffisante mais le temps pour former des carbure est trop courtPoints C et D : Température trop basse pour former des carbures de chromePoint B : Température suffisante et temps assez long pour former des carbures de chrome
Cinétique de corrosion
Mesure des courants de corrosion
• Principe :• Coupler le métal qui s’oxyde (donc qui est l’anode) avec la cathode (ou se produira la réduction) et mesurer
le courant qui circule entre l’anode et la cathode.• On utilise un montage expérimental dans lequel on reproduit le couple de corrosion.
ENH : Electrode Normale à Hydrogène
On peut la remplacer par une électrode de référence (calomel saturé).
Ic ou Ia
Ec ou Ea
Courbes de polarisation anodiques et cathodiques
Cas des systèmes rapides
Cas des systèmes lents
Définition de la densité de courant J : expression des droites de Tafel
Représentation des droites de Tafel pour une réaction sur une électrode
Représentation des droites de Tafel dans le cas de couples mixtes associés
Red/Ox
Métal (Fe, Cu…)
Un exemple de mesure de courant de corrosion
On peut calculer :La vitesse de corrosion / an
Application des droites de Tafel dans le cas de la corrosion généralisée
• Exemple du fer
• Fe Fe2+ + 2 e• O2 + 2 H2O + 4e 4 HO-
Anode métallique : pas de limitation du courant de réduction
Cathode oxygène dissout : on est limité par la vitesse de diffusiondes molécules de O2. Au dela d’une surtension cathodique, le courant atteint une limite (palier de diffusion)
Fe Fe2+ + 2 e
4 HO- O2 + 2 H2O + 4eI limite de diffusion de O2
Ia, Ic
Ea, Ec
E
I
Icorr = Idiffusion (O2)
Ecorr
Idiffusion (O2) = k(O2) [O2]
Cas d’un électrolyte peu conducteur
E
IIcorr
Relectrolyte.Icorr
Passivation des métaux• Diagramme de Pourbaix
Zone immunité
Zone passiveZone corrosion
Corrosion des alliages passivables
Courbe de polarisation anodique d’un alliage passivable
Stabilité du film passif est fonction du pouvoir oxydant du milieu
C1 : pouvoir oxydant élevé, film passif stable (état passif), vitesse de corrosion très faibleC3 : pouvoir oxydant faible, pas de passivation, vitesse de corrosion élevéeC4 : pouvoir oxydant intermédiaire : passivation instable (pt C), une rupture du film passif entraine un accroissement important de la vitesse de corrosion (pt D)
La lutte contre la corrosion4 Modes de protections
1 : Agir sur le milieu Eliminer l’oxygène dissoutEliminer les ions chloruresAjouter des inhibiteurs de corrosion
2 : Agir sur l’assemblage et le choix des matériaux
3 : Protéger la pièceAnode sacrificiellePolarisation de la pièce
4 : Protéger la surface par traitements de surface
Agir sur le milieu
Possible en circuit fermé
On distingue les inhibiteurs de corrosion anodique et cathodiques
Anodiques : comportent des agents oxydants qui forment un film passif sur le métalchromates et bichromates (toxiques!!)
Cathodiques : réduisent la réaction cathodique avec l’oxygèneSels de Mg, Mn, Zn, Ni
Les inhibiteurs sont minéraux (pb d’environnement) ou organiques (amines)
Protéger la pièce
Protection par anode sacrificielle Protection cathodique par courant imposé
Traitements des surfaces
Dépôts électrolytiquesZinc (électro zingage), Nickel (nicklage), Cuivre, Chrome, Cadmium métaux nobles (Au, Pt, Ag)codéposition de métaux
Dépôts chimiquesCuivre, nickel
Dépôts en bains fondusZinc (galvanisation), Aluminium, Etain
Traitements de conversion chimiqueattaque chimique (phosphatation, chromatation)attaque électrochimique (sulfuration)oxydation anodique (aluminium, titane, magnésium)
Revêtements électrolytiques
Principe : Un métal à déposer est sous forme ionique dans un bain (électrolyte)La pièce à revêtir est placée en position cathodiqueLes ions se réduisent et se déposent sur la pièce
Le bain est alimenté en ions soit par une électrode soluble qui se dissout au fur et à mesure de l’électrolyse, soit par ajout de sels dans le bain
Constitution des bains :- Sels solubles (acides, alcalins ou cyanurés)- Sels tampons (régulent le pH)- Activateurs d’anodes (facilitent la dissolution de l’anode)- Agents d’addition (brillanteurs)- Tensio actifs (augmente la mouillabilité sur la cathodeEt évite la formation de bulles sur la cathode donc les porosités)
Electrodéposition du zinc et du nickel
Les modes de protections sont différents :Zinc : la protection est due au caractère anodique du zinc p/r au fer. La couche peut être localement absenteNickel : la protection est due au caractère noble du nickel. La couche doit rester intacte.
Revêtement électrolytique du zinc : électro zingage
Nature des bains -Bains cyanurés : cyanure de sodium + soudes + zinc en solution (Zn(CN)4
2- et ZnO22-)
-Bains alcalins sans cyanures (> 1960) : pyrophosphates de zinc et potassium et bains à base de gluconates- bains acides : à base de chlorures de sulfates et fluoroborates (les plus récents)
Rendement de 95%Vitesses de dépositions de l’ordre de 1mm/min
Applications -Pièces finies (boulonnerie, pièces embouties…), 10 à 50 mm.-Tôles en continu (automobile, bâtiment, électroménager…), 5 mm.
process
Dépôt en bain fondu du zinc
Dégraissage avec carbonate de calcium ou soude + tensio actif
Décapage à l’acide chlorhydrique ou sulfurique en ajoutant un inhibiteur de corrosion
Fluxage au chlorure de zinc et chlorure d’ammonium à 60°C. protège le métal de la corrosion avant trempage et favorise les réactions fer/zinc.
Galvanisation par trempage de la pièce dans le bain de zinc à 450°C.
Galvanisation en continue
Nature des couches en galvanisation
Traitements de conversion chimique
Principe : former des liaisons chimiques fortes entre le métal et une couche protectrice polymère ou céramique.
L’obtention de la couche de liaison par conversion est obtenue par :
-Attaque chimique du substrat (phosphatation, chromatation)
- conversion électrolytique (sulfuration)
-Oxydation anodique
La phosphatation
Principe : traitement en milieu acide H3PO4 avec des phosphates métalliques primaires(PO4H2)2Me (Me = Zn, Ni, Mn, Ca).
Formation d’une couche de phosphates insolubles, qui améliore les propriétés de frottement (déformation à froid)La résistance à la corrosion est augmentée grâce à l’introduction de Zinc (phosphate au zinc ) avec formation de Zn2Fe(PO4)2 monoclinique (phosphophylite).
Pour mémoire : chromatation au Cr VI remplacée par une chromatation au Cr III
Oxydation anodique
Utilisé surtout pour protéger l’aluminium et alliages d’aluminium(également pour magnésium, titane, inox)
Aluminium
Réaction anodique : dissolution et hydrolyse2 Al = 2 Al3+ + 6e 2 Al3+ + H2O = Al203 + 6H+
Réaction cathodique : dégagement d’hydrogène6 H+ + 6e = 3 H2
Tension minimale d’électrolyse : 1,68 V
On obtient des couches de 15 à 20 mm dont on contrôle la porosité et la couleur (ajout de pigment). La porosité est comblée par immersion dans une solution aqueuse chaude de bichromate de potassium ou par traitement à la vapeur d’eau.
Oxydation dure : basse T° (0 à 5°C), densité courant pulsé (3A/dm2), couches de 25 à 100mmdureté 450 HV.Possibilité de pratiquer la codéposition de particules de PTFE (jusque 20%) : augmentation de la résistance à la corrosion et à l’usure (diminution du COF)
Quelques exemples