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Protection des métaux


Le choix d'une méthode de protection est un problème complexe. De nombreux facteurs interviennent:
- support: nature, état de surface, formes
- agents corrosifs: nature, concentration, température
- caractéristiques souhaitées pour le revêtement: aspect, état de surface, inaltérabilité, toxicité, etc
- prix de revient du revêtement.
Les solutions proposées sont très nombreuses et en évolution rapide. Avant d'entreprendre un travail de quelque importance, il convient donc de consulter la littérature et les entreprises spécialisées.

Protection des métaux par revêtement métallique

Dépôts métalliques

En présence d'un électrolyte, un métal peut être anodique ou cathodique par rapport à un autre métal.
Deux méthodes de protection découlent de ce phénomène:
 - protection par revêtement cathodique
 - protection par revêtement anodique.

Revêtement cathodique

Représentation schématique d'un revêtement cathodiqueLe métal protecteur est plus noble que le métal à protéger. Ce peut être un dépôt de cuivre, plomb, étain, nickel, chrome, etc ... sur du fer.
Si la couche protectrice est continue et non poreuse, aucune attaque n'aura lieu. Par contre, en cas de défaut du revêtement la couche de métal cathodique n'est pas attaquée mais par contre, le fer est corrodé sous la couche protectrice qui tend à se détacher du support.
Pour ce type de revêtement, il est donc indispensable que le revêtement ne présente aucune discontinuité et que son épaisseur soit suffisante.


Revêtement anodique

Représentation schématique d'une protection anodiqueLe métal protecteur est moins noble que le métal à protéger. C'est le cas du procédé de galvanisation (revêtement de zinc) pour la protection du fer, mais ce peut être aussi un dépot d'aluminium ou de cadmium.
En cas de discontinuité de la couche protectrice, le fer n'est pas attaqué. Seul le métal anodique est corrodé. La couche d'oxydes ou de sels obtenue protège d'ailleurs le zinc d'une attaque ultérieure.
Ce revêtement est donc efficace même en cas de fissures ou d'épaisseurs trop faibles, à condition que les oxydes formés ne soient pas éliminés constamment par une action mécanique.


Principales techniques de revêtement

Le métal support doit, dans tous les cas, avoir un état de surface correct.

Dépôts électrolytiques

Le métal à recouvrir sert de cathode dans un bain contenant un sel du métal à déposer. Cette méthode est utilisée pour obtenir des revêtements de cuivre, chrome, zinc, cadmium, étain, plomb, argent, or ,
etc ...

Dépôts chimiques

La réalisation d'un dépôt chimique consiste à réduire les ions en solution du métal à déposer soit par réaction avec la surface du matériau à recouvrir, soit par réaction avec un autre corps présent dans la solution. On déposera par exemple du cuivre sur un substrat d'acier selon la réaction:
Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+

Dépôts en phase vapeur

Permet le dépôt d'un métal ou d'un composé réfractaire tel un carbure ou un nitrure à partir d'une phase vapeur. Si le dépôt ne fait appel qu'à des phénomènes physiques on parlera de PVD (Physical Vapour Deposit). Si le dépôt fait appel à une réaction chimique on parlera de CVD (Chemical Vapour Deposit).
Ce type de réaction s'effectue en général à température élevée qui favorise la diffusion du dépôt. Par exemple, on réalise un dépôt de carbure de titane à des températures comprises entre 800 et 1100°C selon la réaction:
TiCl4 + CH4 → TiC + 4 HCl.

Immersion dans un bain de métal fondu

Cette méthode est employée pour l'étamage (dépôt d'étain sur fer) et la galvanisation (dépôt de zinc sur fer).

Métallisation au pistolet

Le métal ou l'alliage protecteur sous forme de fil est fondu dans la flamme d'un chalumeau oxy-acétylènique combiné avec un pulvérisateur à air. Le métal liquide est projeté en fines gouttelettes sur la surface à protéger.
On réalise de cette façon des revêtements de zinc, d'aluminium, plomb, nickel, titane, aciers inoxydables, etc ...
De manière similaire on peut aussi déposer une couche épaisse de métal d'apport par soudage. On emploie alors le terme de beurrage.

Métaux plaqués

Le métal à protéger est recouvert par colaminage à chaud, ou par explosion d'une feuille de métal plus noble.
Cette méthode est particulièrement employée pour revêtir une tôle d'acier avec de l'acier inoxydable.

Protection par revêtements organiques

Protection par peinture

L'acier ordinaire n'est pratiquement jamais utilisé dans l'industrie sans être recouverts d'une couche de peinture.
L'efficacité de cette protection est évidemment fonction de l'adhérence de la peinture au support métallique et de sa résistance aux actions chimiques ou mécaniques.
Schématiquement, une peinture peut être définie comme résultant du mélange:
 - de pigments (colorants, inhibiteurs de corrosion, charges)
 - de substances filmogènes (liant), susceptibles de laisser après polymérisation et séchage, une couche mince et adhérente sur le support à protéger.
 - de solvants, nécessaires pour amener l'ensemble à la viscosité souhaitable.
Après polymérisation du liant et évaporation du solvant, les pigments sont dispersés au sein de la couche plastique.
Pour assurer une bonne liaison métal/couche protectrice, il est indispensable de procéder à une série d'opérations préliminaires qui ont pour but ;
- d'éliminer totalement les oxydes non adhérents (rouille par exemple), les traces d'anciennes couches de peinture, les graisses, l'eau, etc ..,
- de rendre le métal légèrement rugueux pour permettre l'adhérence de la peinture.
La bonne tenue du revêtement final dépend en grande partie de la qualité de ce travail préparatoire.
Les traitements varient selon la nature du métal support.

Préparation de l'acier

La calamine provenant des opérations de sont éliminées par burinage mécanique, sabblage, au chalumeau.
La surface mise à nu (en particulier après une opération de sablage) doit être protégée immédiatement.
Il est possible également de préparer la surface du métal par un décapage chimique avec solutions d'acide chlorhydrique ou sulfurique. Après lavage abondant à l'eau pour éliminer l'excès d'acide et les sels formés, on obtient des surfaces parfaitement décapées.
Cependant la meilleure méthode de décapage chimique consiste en un traitement par une solution contenant de l'acide phosphorique et un phosphate de zinc ou de chrome.
L'acier se recouvre d'une couche de phosphates métalliques qui favorise l'adhérence de la peinture et passive l'acier.

Préparation de l'aluminium et alliages légers

La couche d'oxydes qui se forme spontanément a l'inconvénient d'être pulvérulente et d'épaisseur irrégulière. La préparation de la surface consiste généralement en un décapage chimique par une solution
diluée de soude ou d'acide sulfochromique, opération suivie d'un lavage abondant.
Cependant, la meilleure technique consiste en une oxydation anodique électrolytique de la pièce à peindre. On obtient une couche adhérente d'alumine assurant un bon ancrage des couches de peinture.

Mise en oeuvre d'une protection par peinture

A titre d'exemple, nous examinerons rapidement le cas des métaux ferreux.
Habituellement, la protection est assurée par plusieurs couches de peinture :
- couches primaires
- couches intermédiaires
- couches de finition
Couches primaires
Les peintures pour couches primaires contiennent en plus des constituants habituels des pigments inhibiteurs de corrosion. Le rôle de ces produits est de polariser les piles susceptibles de se former. On
utilise couramment des corps comme le minium, les chromates de plomb ou alcalino-terreux qui agissent comme polarisants anodiques. On utilise également comme pigments anti-corrosion du zinc ou du plomb en poudre fine.
Exemple de peinture classique pour couche primaire :
 - pigment 75% (60 % de minium,  40% de baryte)
 - liant : 15% (huile de lin en présence de siccatif)
 - solvant 10%/ (composés aliphatiques)
Dans ce type de peinture, l'agent filmogène est l'huile de lin, acide gras non saturé susceptible de se polymériser à l'air en présence d'un catalyseur (siccatif) contenant généralement des sels de manganèse
La couche primaire sert également d'isolant vis à vis du milieu extérieur.
Le pH habituellement élevé des couches primaires favorise de plus la passivation de l'acier.
Un autre type de peinture pour couche primaire consiste à employer une suspension hydroalcoolique d'acide phosphorique dilué, de chromate de zinc ou de phosphate de chrome en présence de butyrol polyvinylique (composé filmogène).
L'acide phosphorique attaque le métal et la couche superficielle d'oxydes, le butyrol polyvinylique donnant un complexe chelaté très adhérent sur le fer support.

Couches intermédiaires
Exemple d'une peinture pour couche intermédiaire:
 - pigment 50% (oxyde de fer micacé lamellaire)
 - liant : 30% de résine glycérophtalique à 60 % d'huile de lin
 - solvant 20 %
Les résines glycérophtaliques (obtenues par réaction entre la glycérine et l'anhydride phtalique) donnent en présence d'huile de lin, un film relativement souple et brillant.
La composition de ces peintures est telle que la teneur en pigments est plus faible que pour la couche primaire, le pourcentage en solvant et en résines étant plus élevé.


Couches de finition
Exemple de peinture protégeant contre la corrosion atmosphérique (pour charpentes métalliques par exemple):
 - pigments 35 % d'oxyde de fer micacé en présence de colorant
 - 35 % de résine glycérophtalique à 60 % d'huile de lin
- solvant 30 %
Les couches primaires ou intermédiaires ne possèdent pas les qualités nécessaires pour être laissées en contact avec l'atmosphère ou les milieux corrosifs, Les peintures utilisées comme couches de finition doivent former à la surface du matériau un revêtement continu, élastique, aussi imperméable que possible.
La teneur en pigments est plus faible que dans les peintures pour couches primaires.
Le choix de la peinture pour couche de finition est fonction des agents corrosifs en contact avec le matériau.
Les très nombreuses matières plastiques offrent de multiples possibilités.
La peinture utilisée pour les couches de finition doit être compatible avec les sous-couches.
Les fabricants de peinture conseillent d'ailleurs le choix du système protecteur.

Peintures résistant à la chaleur
Ce problème de protection est rencontré fréquemment dans l'industrie (canalisations de vapeur, circulation de produits fondus,etc ... )
On utilise des peintures contenant des pigments tels que le graphite ou la poudre d'aluminium. Le composé filmogène peut être une résine silicone qui supporte des températures de 300 - 350°C sans être décomposée.

Peintures résistant aux produits chimiques,
Les canalisations, cuves, pompes, etc, directement en contact avec des produits chimiques (acides, bases, oxydants ...), des solvants ou des huiles, peuvent être protégées par des peintures anti-corrosion choisies convenablement.
En voici quelques exemples :
Peintures époxydes
Ce type de peinture est recommandé en milieu basique, en présence de solvants et d'hydrocarbures.
Peintures aux polyurétuanes
Ce sont des peintures utilisées en milieu acide, en présence d'hydrocarbures et de solvants.
Peintures vinyliques
On utilise le polystyrène, les acétals polyvinyliques, les copolymères de chlorure et d'acétate de vinyle. Les copolymères de chlorure de vinyle et de nitrile acrylique, en particulier, donnent des films durs insolubles dans les essences minérales, dans les huiles animales, végétales ou minérales, inertes vis à vis des alcalis, des acides et de certains oxydants.
Peintures thermodurcissables
Après cuisson donnent un film insoluble dans la plupart des huiles et des solvants
Autres
Peintures au caoutcnouc, caoutchouc chloré, etc ...

Protection par dépôt de matière plastique

Différentes méthodes sont employées:
 - la projection au pistolet/chalumeau selon une technique analogue à celle utilisée pour la métallisation.
 - la projection au pistolet sans source de chaleur, mais capable de générer une charge électrostatique sur la poudre. La pièce à recouvrir est ensuite passée au four pour fondre et uniformiser le dépot.
 - l'immersion de la pièce à recouvrir préalablement chauffée dans un lit fluidisé de la matière plastique utilisée. Les fines particules de poudre fondent au contact de la pièce pour constituer un revêtement protecteur.
Le revêtement doit avoir une épaisseur minimale de l'ordre de 500µm pour assurer une étanchéïté.

PTFE
En épaisseur jusqu'à 20µm. Anti adhérent. Utilisable jusqu'à 290°C.
FEP
En épaisseur jusqu'à 80µm. Anti adhérent et résistant à l'abrasion. Utilisable jusqu'à 200°C.
PFA
En épaisseur jusqu'à 800µm. Anti adhérent et résistant à l'abrasion. Utilisable jusqu'à 260°C.
HALAR
En épaisseur jusqu'a 2mm. Pour protéger cuves, agitateurs, corps de vanne, pompes..... Utilisable jusqu'à 150°C. Bonne résistance aux solvants.
Polyamides
En épaisseur de 150 à 800µm. Pour protéger de la corrosion de l'abrasion et du colmatage jusqu'à 90°C. Résiste aux acides.
PEEK
En épaisseur de 30 à 800µm. Pour protéger cuves, agitateurs, corps de vanne, pompes..... Utilisable jusqu'à 260°C. Bonne résistance aux acides, aux bases et aux solvants.

Revêtement caoutchouc

Le principe est de couvrir le métal à protéger d'une feuille de caoutchouc résistante au milieu. Cette technique est appliquées pour protéger l'intérieur de capacités ou de tuyauteries, des impulseurs de pompe ou des pales d'agitateurs, d'agressions chimiques ou mécaniques (chocs, abrasion).
L'épaisseur du revêtement va de 2mm à 50mm selon le besoin de protection. Différentes techniques peuvent être mise en oeuvre:
 - revêtement à partir de feuilles de caoutchouc non vulcanisées ensuite vulcanisée et collées à chaud en autoclave
 - revêtement à partir de feuilles de caoutchouc déjà vulvanisées collées à froid par un adhésif.
Si une agression chimique est redoutée, la couverture de caoutchouc doit s'étendre sur l'intégralité de la surface jusqu'à la portée de joint des brides de piquages.
Le revêtement usagé peut être généralement réparé ou remplacé en place.
L'acier carbone aussi bien que les aciers inoxydables ou encore l'aluminium peuvent être protégés ainsi.
Les caoutchoucs employés sont:
 - caoutchouc naturel
 - ébonite
 - caoutchoucs butyl, nitrile, néoprène, hypalon, EPDM
Les températures d'exploitation des équipements ainsi protégés doivent être comprises entre -20°C et +100°C.

Doublage par feuille de polymère étanche

Les sections de tuyauterie et leurs accessoires (coudes, tés, réduction, ...) sont proposées par de nombreux fabriquants, doublés intérieurement d'une feuille de polymère étanche et continues. Celle-ci n'est pas adhérente à la paroi métallique qu'elle protège. Les services sous vide sont donc généralement limités. Les matériaux polymère proposés et leurs températures d'exploitation sont:
 - PTFE (polytétrafluoroéthylène) -30 à +230°C
 - PFA (perfluoroalkoxy) -20 à +230°C
 - PVDF (polyfluorure de vinylidène) -30 à +130°C
 - PP (polypropylène) -20 à 110°C
 - FEP (perfluoroéthylène et propylène)
 - ETFE (éthylène tétrafluoroéthylène) -30 à 150°C

Briquetage anti-acide

Les revêtement caoutchouc sont une excellente solution pour protéger l'acier des attaques acides, mais leur température d'exploitation est limitée à 100°C environ. L'ajout d'un briquetage entre le procédé et la protection caoutchouc permet, en limitant le transfert thermique, de repousser la température maximum d'exploitation du procédé.
Les qualités nécessaire pour le briquetage sont:
 - faible porosité pour limiter la pénétration du milieu corrosif
 - teneur en silice aussi élevée que possible pour une meilleure résistance chimique
 - faible teneur en alumine, oxydes de fer, de calcium et de magnésium qui sont solubles dans les milieux acides
 - bonne résistance mécanique et à l'abrasion
 - bonne résistance aux chocs thermiques

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