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
Le 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
Le 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:
Cu
2+ + Fe → Cu + Fe
2+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:
TiCl
4 + CH
4 → 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 étanchéité.
- 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