Érosion et corrosion en génie mécanique

La corrosion et l’érosion affectent la durée de vie et les performances des composants. Mais quelle est, en réalité, la différence entre l’érosion et la corrosion ? Quels en sont les types ? Et comment contrer ces forces ? L’article suivant examine cela plus en détail.

Quelle est la différence entre l’érosion et la corrosion ?

Dans la vie quotidienne, les deux termes érosion et corrosion sont souvent confondus, mais les deux représentent deux concepts entièrement différents : l’érosion fait référence à l’élimination des matériaux et donc à un changement physique, tandis que la corrosion est principalement un changement provoqué par une réaction chimique. Dans le cadre de l’ingénierie mécanique, l’érosion signifie, par exemple, que l’effet mécanique des particules érosives à la surface d’un composant entraîne des dommages ou une abrasion du matériau de surface. Les dommages qui en résultent peuvent être de nature microscopique, mais aussi macroscopique, c’est-à-dire visibles à l’œil nu. L’abrasion est une forme d’érosion et indique le processus d’élimination du matériau d’une surface solide par friction avec un autre partenaire de friction. Les partenaires de friction peuvent être de petites particules dans un gaz en circulation, mais aussi des liquides en circulation ou des solides en friction. Le matériau éliminé est appelé abrasion.

La corrosion, en revanche, décrit une réaction chimique ou électrochimique du matériau basée sur une interaction avec l’environnement, qui conduit à un changement du matériau jusqu’à sa destruction. L’érosion peut être une condition préalable à la corrosion, comme la corrosion érosive. Dans ce cas particulier, l’élimination (érosion) du film d’oxyde protecteur à la surface du métal provoque une attaque corrosive sur la surface désormais exposée des zones affectées.

Certains métaux et alliages métalliques, tels que le fer ou l’acier, sont sensibles à la corrosion, ce qui peut entraîner une destruction complète. D’autres alliages métalliques corrosifs se corrodent à leur surface et forment un film d’oxyde étanche à l’oxygène, ce qui empêche une corrosion plus profonde. Par exemple, l’aluminium ou le cuivre non traité sont sensibles à la corrosion due à l’humidité et aux sels. Ils réagissent avec l’humidité et l’oxygène de l’environnement et forment un film d’oxyde protecteur sur la surface du matériau, ce qui protège ensuite d’une corrosion supplémentaire.

La corrosion et l’érosion sont un problème majeur dans de nombreuses industries et entraînent une usure des matériaux et des coûts de maintenance élevés.

La corrosion en détail

La norme DIN EN ISO 8044 définit la corrosion comme la réaction d’un matériau avec son environnement. Cette réaction provoque un changement mesurable du matériau et peut entraîner une déficience fonctionnelle. Cette réaction est généralement de nature électrochimique, mais peut également avoir des causes chimiques ou physicométalliques. La norme différencie davantage les dommages causés par la corrosion et les contraintes liées à la corrosion :

• Dommages causés par la corrosion : dommages matériels dus à des réactions chimiques ou électrochimiques avec l’environnement. Des produits de corrosion sont formés et affaiblissent le matériau, par exemple, la corrosion de surface ou la corrosion des espaces.
• Contrainte de corrosion : Contamination des matériaux due à des conditions environnementales corrosives. Cette contrainte peut être augmentée par des facteurs tels que l’humidité, la teneur en sel, la température et les influences chimiques. Les contraintes de corrosion rendent les matériaux plus sensibles aux dommages de corrosion, en particulier avec des contraintes mécaniques supplémentaires.

Symptômes de corrosion

Il existe différents stades ou apparences de la corrosion :

• Aucun changement n’est visible à la surface : aucun sous-produit de corrosion ne s’est formé ou les dépôts de la surface incidente correspondent à la plage nanométrique ; une dégradation supplémentaire est donc peu probable.
• La surface est décolorée, sinon aucun changement : des sous-produits de corrosion peuvent être observés sur la surface, mais la corrosion ne progresse plus autrement. La décoloration a une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres de formation de rouille.
• Corrosion progressive : les sous-produits de corrosion n’adhèrent pas fermement à la surface, exposant ainsi constamment la surface à l’environnement inducteur de corrosion. Cela est visible par l’écaillage de la rouille, par exemple dans les aciers non alliés exposés à la pluie ou au vent.
• Pas de formation de rouille, corrosion progressive : Les sous-produits de la corrosion se sont dissous dans l’environnement, mais la corrosion continue de progresser, par exemple lorsque le métal entre en contact avec l’acide.

Types de corrosion

La corrosion peut être classée en fonction du type de mécanismes de réaction : Corrosion chimique, corrosion électrochimique et corrosion physicométallique.

• Corrosion chimique : La corrosion chimique se produit lorsque les métaux et autres matériaux réagissent avec leur environnement, en particulier avec de l’oxygène, de l’eau ou des produits chimiques agressifs, et sont ensuite décomposés et détruits.
• Corrosion électrochimique : La corrosion électrochimique est déclenchée par la présence d’un électrolyte, par exemple la corrosion intercristalline.
• Corrosion physicométallique : La corrosion physicométallique se produit lorsque des phénomènes physiques conduisent à la corrosion.

Résistance à la corrosion et protection contre la corrosion

La résistance à la corrosion est une propriété matérielle qui dépend des facteurs suivants, par exemple :

• Composition du matériau
• Traitement de surface
• Éléments en alliage

Idéalement, les composants concernés ont une résistance élevée à la corrosion. Cependant, il existe également d’autres options de protection contre la corrosion.

Le tableau suivant montre les effets du test de pulvérisation d’eau salée conformément à la norme JIS H8502 sur un simple roulement à billes linéaire avec bride :

L’érosion en détail

L’érosion est particulièrement importante lorsque les machines et les composants sont soumis à des charges extrêmes. La forme et l’angle d’attaque des particules incidentes influencent également l’effet d’usure. La propriété du matériau joue également un rôle. Les matériaux fragiles se comportent différemment des matériaux ductiles. Le verre, en tant que matériau cassant, par exemple, présente une sensibilité à l’usure qui augmente avec l’angle d’attaque, il s’écharde littéralement. Pour les matériaux ductiles, l’usure augmente à un angle d’attaque allant jusqu’à 25°, puis chute à nouveau rapidement.

Voici quelques exemples de modes de défaillance possibles de différents matériaux :

• 1 - Ductile, souple
• 2 - Ductile, souple, revêtu
• 3 - Brisures

Sur les matériaux fragiles, différents modes de fracture peuvent se produire en fonction de la structure du matériau, de la forme et de l’énergie d’impact de la particule impactante et des différents angles d’impact :

• 1 - Rupture conique
• 2 - Rupture radiale
• 3 - Rupture latérale

L’érosion en tant que processus fabrication d’élimination de matériaux

L’érosion peut également être utilisée pour obtenir un effet positif, par exemple l’érosion par étincelle. L’érosion par étincelle est un processus de fabrication thermique d’élimination. Il repose sur des processus de décharge électrique et n’est donc adapté qu’aux matériaux conducteurs. Une électrode immergée dans un environnement diélectrique est alimentée par une tension CC, puis guidée vers un matériau conducteur. Cela génère des décharges sous forme d’étincelles, ce qui entraîne des températures élevées allant jusqu’à 1 200 °C. Le matériau de la pièce à usiner est fondu et les particules de matériau retirées sont éliminées dans le liquide. Des formes géométriques complexes avec une qualité de surface élevée peuvent être produites par érosion par étincelle. Le moulage sous pression, en tant que sous-type d’érosion par étincelle, utilise un outil qui représente un négatif de la structure à produire. Cette méthode est principalement utilisée pour diverses pièces moulées.

L’érosion particulaire est une autre façon d’utiliser délibérément l’érosion dans le domaine de l’ingénierie mécanique. L’érosion particulaire se produit lorsque de petites particules solides (p. ex. du sable) sont propulsées contre la surface d’un composant. Cela entraîne une abrasion et une perte de matériau.

Protection contre la corrosion et l’érosion

Il existe différents types de protection contre la corrosion et l’érosion. Le principe fondamental est d’ajouter des propriétés au matériau à protéger afin de le rendre plus résistant à l’érosion et/ou à la corrosion. Cela prolonge également la durée de vie. Cependant, une protection supplémentaire contre l’érosion est souvent plus coûteuse que le simple remplacement du composant et doit donc être envisagée avec précaution. La protection contre l’érosion et la corrosion peuvent être classées en protection passive et active contre l’érosion ou la corrosion.

La protection passive contre la corrosion est obtenue, par exemple, à l’aide d’agents de protection contre la corrosion qui protègent les surfaces métalliques en tant que revêtement. Un revêtement de protection est souvent appliqué en tant qu’opération finale. Les méthodes courantes comprennent la pulvérisation thermique et le revêtement polymère :

• Pulvérisation thermique : La pulvérisation thermique implique la pulvérisation de produits additifs sur la surface sous forme de particules de pulvérisation, qui sont ensuite déposées sur la surface en couches pour former la couche de pulvérisation. La principale application de la pulvérisation thermique est la protection contre la corrosion et l’usure. La charge thermique de cette méthode est très faible. La pulvérisation d’arc, la pulvérisation de plasma et la pulvérisation de flamme en sont des sous-types.
• Revêtement polymère : Le revêtement polymère implique de recouvrir l’outil d’une couche de matériau polymère. Les revêtements polymères tribologiques sont particulièrement adaptables. Ils réduisent l’abrasion et sont également utilisés comme protection contre la corrosion et l’usure. Les options suivantes sont disponibles : Revêtement en poudre, revêtement plasma pour revêtements très fins, revêtement humide, revêtement sous vide.

La protection active contre la corrosion est principalement utilisée sur les pièces inaccessibles, par exemple les câbles ou tuyaux submergés ou souterrains. On peut obtenir une protection active contre la corrosion en ajoutant un inhibiteur de corrosion ou par polarisation électrochimique. On distingue la protection anodique de la protection cathodique :

• Cathodique : le métal à protéger est connecté comme une cathode avec une anode à charge positive (par ex. un métal non royal, tel que le zinc) au moyen d’un courant externe. Des sources de courant externes peuvent même être omises lorsque le magnésium est utilisé comme anode. Les électrodes sont dirigées vers le matériau à protéger et sont absorbées par ce dernier. Un courant de protection est créé et empêche la rouille.
• Anodiques : sur les métaux qui génèrent des produits de corrosion ou d’oxydation, ces produits sont utilisés comme couche protectrice pour empêcher toute attaque ultérieure.