Types d’aciers inoxydables

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, ils sont livrés à l’état hypertrempé. Après certaines phases de travail, dans certains cas après soudage, il arrive que ces aciers subissent à nouveau un traitement d’hypertrempe (réchauffage à 1 100 °C environ), pour remettre en solution des composés intermétalliques et/ou chimiques qui auraient pu se former. L’hypertrempe est toujours suivie d’un refroidissement rapide pour traverser très rapidement les zones de températures où il pourrait se former des précipités, comme le carbure de chrome (Cr₂₃C₆), ou des phases intermétalliques indésirables. Cette hypertrempe confère à l’acier les propriétés qu’il avait lors de son élaboration.

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• Caractéristiques techniques des aciers inoxydables, sur Wikibooks

On distingue les quatre familles d’aciers inoxydables suivantes : Les aciers martensitiques

Ils sont utilisés lorsque les caractéristiques de résistance mécanique sont importantes. 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.

Exemples : X20Cr13, X46Cr13, X29CrS13, N690Co (X105CrCoMo18-2). Les aciers ferritiques

Ils ne prennent pas la trempe. On trouve dans cette catégorie des aciers réfractaires à haute teneur en chrome (jusqu’à 27 %), particulièrement intéressants en présence de soufre. Les aciers ferritiques sont parfois utilisés comme barrière de résistance à la corrosion (tôles plaquées, tôles revêtues, protégées [dites « claddées », de cladding, « habillage », « revêtement »]) des parois d’équipements sous pression en acier utilisés dans les industries pétrochimique et chimique. Ces aciers sont souvent utilisés en lieu et place des aciers austénitiques pour la réalisation d’ustensiles de cuisine. Certains aciers ferritiques, intégrant du titane dans leur composition, développent une résistance à la corrosion semblable aux aciers austénitiques.

Exemples : X6Cr17, X6CrMo17-1, X3CrTi17. Les aciers austénitiques

Ce sont de loin les plus nombreux, en raison de leur résistance chimique très élevée, de leur ductilité comparable à celle du cuivre. Les teneurs en éléments d’addition sont d’environ 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et leur stabilité peut être améliorée par des éléments tels que le titane ou le niobium. De par leur excellente ductilité, ces aciers ont aussi un domaine d’utilisation aux basses températures (jusqu’à moins 200 °C) et sont en compétition avec les alliages légers et l’acier à 9 % de nickel pour la réalisation d’équipements destinés à la cryogénie.

Exemples : X2CrNi18-9, X2CrNiMo17-12-2. Les aciers improprement dénommés « austéno-ferritiques » Article détaillé : Acier duplex.

Ils ont des propriétés de résistance à la corrosion intergranulaire ainsi qu’à la corrosion en eau de mer remarquables et présentent, pendant l’essai de traction, un palier élasto-plastique. Ils ont un comportement mécanique semblable aux aciers de construction. La transformation liquide / solide se traduit par une solidification en phase ferritique (ferrite delta) puis d’une seconde transformation, à l’état solide, en austénite. Ils devraient donc, en conséquence, être dénommés aciers ferrito-austénitiques. Le simple fait de désigner correctement ces aciers permet de tout de suite comprendre qu’un refroidissement lent, pendant le soudage, permettra à un maximum de phase ferritique de se transformer en phase austénitique et réciproquement, un refroidissement rapide aboutira à un gel de la ferrite laissant peu de possibilités à la transformation austénitique.

Exemple : X2CrNiN23-4.

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

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. ; le décapage peut être mécanique (meulage) ou chimique (acide fluorhydrique, avec les problèmes d’hygiène, sécurité et environnementaux que cela pose) ;
• 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 ;
• utiliser des outils (brosse, piquettes, marteaux, disques de meule, forets, etc.) n’ayant servi que sur ce type d’acier (risque de contamination par le fer) ;
• protéger des projections et des poussières métalliques provenant de la mise en œuvre, à proximité, d’aciers non inoxydables (risque de contamination par le fer) ; favoriser le travail en atelier blanc ;
• 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 ;
• le cas échéant, aider la formation d’un film passif en traitant à l’acide nitrique¹³.

Influence de divers milieux

• 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 et 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 (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. L’acide nitrique en mélange avec des saumures saturées peut provoquer des destructions de l’acier inox (même des nuances en 316L).
• Produits alimentaires : il n’y a généralement aucun problème de corrosion sauf avec certains produits qui contiennent 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 et à chaud (l’eau de Javel à plus de 60 °C et à des concentrations élevées peut détruire [piqures noires] l’acier inox). 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 pas les nitrates, cyanures, acétates, etc. La plupart des autres sels et des métaux fondus produisent des dégâts rapides.

Mise en œuvre des aciers inoxydables

Problèmes particuliers du travail à chaud

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 réagissent énormément aux températures assez hautes ;
• 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 1 000 °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

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 et, dans des cas bien particuliers et après avis du producteur de l’acier, après 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 1 150 °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 °C ou 450 °C.

Les aciers inoxydables à durcissement structural nécessitent des traitements particuliers selon les nuances.

Formage à froid

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 et 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 et 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 à la suite d’un grippage intempestif. L’emploi d’outils en acier trempé, en fonte grise à graphite lamellaire (GJL type « meehanite ») 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 par suite de la formation de martensite (dite « martensite d’écrouissage ») dans la famille des austénitiques. 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 matrices et poinçons en fontes alliées au nickel-chrome donnent les meilleurs résultats, 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, etc. 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.

Procédure d’assemblage ou de transformation des aciers inoxydables

Soudage et brasage

Les procédés de soudage existants restent valables dans l’ensemble ; on recherche naturellement des soudures saines, sans porosités, dotées d’une bonne résistance mécanique, mais ici il faut en outre qu’elles conservent les qualités de résistance à la corrosion qui sont celles des matériaux de base.

Avant de procéder au soudage d’un acier inoxydable, il est extrêmement important de nettoyer convenablement les bords à souder y compris les abords (sur une zone qui pourrait atteindre une température supérieure à 400 °C) de toutes traces de graisse, de dépôts de carbone (traçage au crayon mine) ou autres impuretés de façon à éviter la formation de carbures du genre Cr₂₃C₆ ce qui provoquerait un fort appauvrissement en chrome (de l’ordre de 95 %) et donc la perte d’inoxydabilité de ces zones appauvries. Une très bonne méthode de nettoyage consiste à utiliser un jet de vapeur surchauffée. Les mêmes précautions sont à prendre lors du coupage thermique (plasma, LASER) et les traitements thermiques.

En principe les aciers inoxydables se travaillent dans des ateliers dit « blancs », c’est-à-dire présentant une propreté accrue et l’absence de matière pouvant polluer l’acier inoxydable. Dans les cas où la propreté doit être poussée (aviation, spatial, alimentaire, chimie, pharmacie…), l’accès à l’atelier se fait par sas et l’atmosphère est surpressurisée.

La propriété de la couche d’oxyde ne doit pas faire oublier que le chrome est oxydable et donc de la nécessité de protéger le bain de fusion de l’action de l’oxygène par une atmosphère inerte qui peut être selon le cas, de l’argon ou de l’hélium ou de l’azote voire le vide, dans des procédés de soudage sans laitier comme le TIG, le MIG, le A-TIG, le plasma, le laser, le faisceau d’électron…

• Les aciers martensitiques, en raison de leur haute teneur en carbone, se prêtent mal au soudage homogène (problème de rupture fragile en 1^re passe) et de fissuration à froid par conjugaison des trois facteurs : présence de structures fragiles, effet de l’hydrogène et apparition de contraintes) ; à chaque fois que possible préconiser le soudage hétérogène avec produit d’apport austénitique.
• Les aciers ferritiques tendent à devenir fragiles lorsqu’ils sont soudés en homogène et devraient être immédiatement suivi d’un traitement d’hypertrempe (remise en solution des carbures et des composés intermétalliques), ce qui n’est pas toujours réalisable. Lorsque rien ne s’y oppose (problème de corrosion galvanique par exemple) ou qu’il n’y a pas de contre-indication avec la destinée de l’équipement fabriqué, il est préconisé de souder en hétérogène avec un produit d’apport austénitique en utilisant de faibles énergies de soudage pour éviter la formation de zones à gros grains fragiles à basse température.
• Les aciers austénitiques sont les plus aptes au soudage. Le métal d’apport et les paramètres de soudage doivent être choisis avec soin afin que le joint soudé conserve les propriétés chimiques et mécaniques de l’acier de base.
• Les aciers austéno-ferritiques : Article détaillé : Acier duplex.

On a toujours intérêt à privilégier les méthodes qui limitent dans le temps et en volume 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 du métal de base. Le brasage diffusion sous vide donne d’excellents résultats pour l’assemblage de pièces usinées relativement petites et aux profils complexes (pièces d’horlogerie, micro-moteurs, prothèses, instrumentation…). Les brasures à l’argent donnent des joints très résistants mais le brasage au cuivre, à l’étain et, par voie de conséquence le soudo-brasage au laiton sont formellement proscrits car ils provoquent une décohésion granulaire et la ruine de l’assemblage.

Le meilleur moyen pour souder les aciers inoxydables, lorsque c’est possible, est le soudage avec métal d’apport austénitique. Tous les procédés traditionnels sont utilisables sauf le chalumeau : soudage à l’arc à l’électrode enrobée, le soudage à l’arc submergé, les procédés sous atmosphère inerte comme le TIG et le MIG, le soudage plasma. Le flux d´argon ou d’hélium autour de l’arc électrique empêche l’oxydation du bain de fusion ainsi que pendant le transfert du métal d’apport. Le chalumeau ne doit pas être utilisé parce que le carbone contenu dans la flamme pénètre le métal fondu et le rend cassant. Le chalumeau n’est utilisable que pour braser, donc sans fondre l’inox.

Rivetage et boulonnage

Les rivets 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 pour les 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’imposent donc tout naturellement.

Usinage

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 ordinaires 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.

Les angles de taillant doivent être les plus grands possibles pour accentuer la solidité des arêtes et faciliter l’évacuation de la chaleur. Les angles de coupes très positifs évitent le phénomène de collage et d’arête rapportée.

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

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 la bonne dépouille latérale des scies et des poinçons ; la puissance des machines doit être nettement plus élevée. Dans tous les cas on veillera à bien éliminer les parties endommagées, particulièrement dans le cas de découpage au plasma.

Traitements de surface

Le caractère d’inoxydabilité primaire de l’acier dit inoxydable étant essentiellement dû à la protection offerte par la couche d’oxyde de chrome, il est parfois indispensable de la reconstituer au moyen d’un traitement de surface approprié.

Décapage et passivation

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

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.

La tribofinition est une méthode efficace et très reproductible pour améliorer les états de surface des pièces en Inox. Les équipements utilisés sont des vibrateurs ou des centrifugeuses satellitaires ; il faut ensuite identifier les médias abrasifs adaptés à la morphologie des pièces à traiter.

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

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.

Information wikipédia