Demandez à un métallurgiste :Qu'est-ce que la rouille ?

La chimie de la corrosion :comment nettoyer et protéger vos objets métalliques

La rouille est le nom commun des produits chimiques qui résultent de la réaction du fer avec l'oxygène et l'eau. La « rouille » est mal définie en chimie, cependant, de nombreux produits chimiques peuvent se former lorsque le fer est laissé exposé. Cependant, nous appelons généralement la rouille l'aspect rouge et floconneux qui résulte de certains produits chimiques.

La corrosion du fer ou de l'acier produit de nombreux composés différents dans des conditions environnementales normales. Certains de ces produits chimiques seront noirs, bleus, jaunes, gris ou bruns, selon les molécules qu'ils captent de l'environnement pendant la rouille. Par exemple, les pluies acides qui contiennent du soufre peuvent se combiner avec du fer pour créer des molécules de pyrite, le minéral jaune appelé "l'or des fous". Ces minéraux ne sont pas du tout ce que nous considérons comme de la rouille. Nous parlons généralement d'un type d'oxyde de fer (III), d'apparence rouge ou rouge-brun.

Par conséquent, lorsque nous parlons de rouille du fer, nous ne la relions pas toujours aux changements chimiques que nous observons dans d'autres métaux que nous utilisons régulièrement. Nous ne parlons pas de « rouille » de l'argent ou du cuivre. Au lieu de cela, on dit que le cuivre développe une patine et que l'argent se ternit. Tous ces termes décrivent la corrosion des métaux exposés.

Pourquoi le fer rouille-t-il ? Pourquoi le cuivre ne rouille-t-il pas ?

Les métaux se corrodent par des réactions chimiques avec leur environnement. Les métaux raffinés utilisables par l'homme ne sont souvent pas sous leur forme la plus thermodynamiquement stable. Ils réagissent avec les molécules de l'air qui les entourent pour trouver un état plus stable.

Dans le fer rouillé, il s'agit d'un processus d'oxydation, où l'oxygène et l'eau travaillent pour produire des oxydes de fer. Cependant, la corrosion peut se produire avec d'autres molécules. Le ternissement de l'argent est souvent produit par des réactions avec le sulfure d'hydrogène, un gaz qui sent les œufs pourris et qui est produit par la décomposition bactérienne dans des environnements à faible teneur en oxygène. Si vous avez de l'argent près d'un marécage, ou près d'un dépotoir, il se ternira rapidement !

Certains métaux ne se corrodent pas car ils sont déjà chimiquement stables. L'or et le platine en sont des exemples :ils sont plus susceptibles d'être trouvés sous forme de métal élémentaire pur dans la croûte terrestre pour cette raison. L'argent se trouve également sous forme de métal pur, car lorsqu'il se ternit, le ternissement lui-même crée un joint thermodynamiquement stable autour du reste du métal. Ce film passif empêche la poursuite de la corrosion des couches plus profondes, dans un processus appelé passivation.

La patine du cuivre, responsable de la couleur verte distinctive de la Statue de la Liberté, est un exemple de film passif qui protège le métal en dessous ; le vert-de-gris formé par l'altération du cuivre maintient sa liaison avec la couche de cuivre en dessous, l'étanchéifiant et la protégeant des molécules atmosphériques.

En revanche, les oxydes de fer rouges (III) ne se lient pas au fer en dessous, mais se détachent et s'écaillent. Par conséquent, la rouille ne fournit pas de couche de passivation, mais se corrode, exposant la couche de fer suivante à l'oxydation.

Certains alliages à base de fer, comme l'acier inoxydable, sont connus pour être résistants à la rouille. Les alliages de fer résistants à la rouille contiennent un métal qui crée un film passif et protecteur avant que la rouille ne s'installe. Pour l'acier inoxydable, la passivation est créée par l'ajout de chrome, qui s'oxyde rapidement, laissant une très fine couche qui protège le fer. .

Types courants de corrosion des métaux

Les métaux se corrodent dans différents environnements par différents processus. La forme de corrosion la plus simple se produit lorsque les métaux réagissent à l'humidité et à l'air à leur surface. En milieu salin, la présence de chlore dans le sel peut accélérer et modérer ce processus. Dans les pluies acides, les composés soufrés peuvent être responsables.

Les environnements salins facilitent également un processus légèrement plus compliqué appelé corrosion galvanique . Dans la corrosion galvanique, deux types de métaux aux potentiels électriques très différents entrent en contact électrique ou physique dans un bain d'électrolyte, comme l'eau de mer. Le métal le plus passif, le métal cathodique, attire les électrons du métal actif ou anodique. Cette réaction chimique est une forme de corrosion qui constitue également la base des batteries électrochimiques.

Les molécules nouvellement chargées dans le métal anodique se stabilisent en se combinant avec des molécules de l'environnement, produisant généralement des oxydes ou d'autres minéraux. Dans l'acier, ces oxydes sont de la rouille.

L'aluminium est un métal généralement protégé par un film passif lors de la corrosion. Cependant, l'aluminium peut être rapidement corrodé jusqu'à l'échec s'il est boulonné avec des vis en acier inoxydable, en raison de la corrosion galvanique. Les vis en acier, quant à elles, seront plus résistantes à la rouille ! La fourniture par l'anode d'un flux constant d'électrons empêche la corrosion du métal de la cathode. Pour cette raison, des "anodes sacrificielles" sont parfois fixées au métal qui sera exposé à la mer, comme sur la coque d'un navire, pour aider électrochimiquement à protéger la membrane du navire.

Corrosion par piqûres est le terme pour la corrosion qui ne se produit pas uniformément sur la surface d'un métal. Au lieu de cela, de petits trous apparaissent dans le métal. Ces zones de corrosion plus rapide sont généralement dues à la défaillance du « scellement » sur le matériau, qu'il s'agisse d'un scellant artificiel tel que de la peinture ou un revêtement en poudre, ou du film d'étanchéité passif d'une couche supérieure de corrosion. La couche de passivation peut échouer s'il y a des inclusions dans le métal ou si l'alliage n'est pas uniforme. Le métal est une structure cristalline faite de grains, et il existe différentes phases de ces structures de grains. Si la chimie est irrégulière ou déformée, cela peut provoquer des taches plus vulnérables à la corrosion, et même créer une corrosion galvanique dans tout le corps d'un même métal.

L'acier inoxydable peut-il rouiller ?

L'acier inoxydable est un alliage ferreux résistant à la corrosion qui combat la rouille grâce à l'ajout de chrome. Différents pourcentages de chrome sont utilisés pour le rendre résistant à une utilisation régulière ou à une utilisation intensive dans des environnements salins, comme l'acier inoxydable 316.

Cependant, même l'acier inoxydable peut rouiller ! Tout le fer qui est enfermé dans le métal a juste besoin d'être exposé pour réagir. Il s'appuie sur la couche passive "d'étanchéité" d'oxyde de chrome pour le protéger.

La couche d'oxyde de chrome n'a que quelques molécules d'épaisseur et ne se forme pas instantanément. Lorsque l'acier inoxydable est fabriqué, il est nettoyé avec un acide. Cet acide élimine tout dépôt de fer, de sel ou de graisse au niveau de la surface qui pourrait causer un problème pour la réaction chimique du chrome. Selon le type d'acide utilisé, il peut soit faire partie du processus de passivation, soit simplement préparer l'acier à passiver naturellement à l'air.

Parce que ce film passif est un produit chimique, il peut être perturbé. Une chaleur très élevée supérieure à 750 ° F peut provoquer des changements moléculaires dans le chrome qui empêchent l'oxydation, de sorte que la rouille peut s'installer autour du site d'une soudure sur de l'acier inoxydable. Dans d'autres cas, la couche d'oxyde de chrome peut être compromise par un changement thermique rapide, l'abrasion, la rupture, le sel, l'acide et l'accumulation d'autres dépôts métalliques. Si l'acier inoxydable entre en contact avec trop de fer, le pourcentage localisé de chrome peut tomber en dessous du pourcentage minimum nécessaire pour maintenir un film (limite inférieure à 10,5 %).

Par conséquent, récurer l'acier inoxydable avec de la laine d'acier peut aggraver un problème de rouille ! Au fur et à mesure que le chrome s'use, les molécules d'acier de l'épurateur peuvent faire partie du métal de base, abaissant la teneur locale en chrome. Lorsque la passivation échoue sur l'acier inoxydable et que le fer est exposé à l'eau et à l'air, la rouille s'installe.

Comment nettoyer la rouille de l'acier inoxydable

Les conseils sur le nettoyage de l'acier inoxydable suggèrent souvent que vous devez « faire attention à ne pas rayer la surface du chrome » et déconseillent donc l'utilisation d'abrasifs et d'autres produits chimiques. Ce n'est pas tout à fait correct :la rouille indique que la surface d'oxyde de chrome a déjà été endommagée. Le but du nettoyage de la rouille de l'inox dans le cadre non industriel (à la maison ou dans une petite cuisine professionnelle), est d'abord de nettoyer complètement l'alliage inoxydable, en enlevant toute rouille mais aussi tout dépôt de fer, de sel, de graisse ou d'acide, puis de permettre au matériau de "s'auto-passiver", c'est-à-dire de réagir avec l'air pour reformer le joint. Rester à l'écart de toutes les formes de fer et d'acier en faisant cela est une façon d'être satisfait du résultat.

Pour nettoyer la rouille de l'acier inoxydable :

1. Un abrasif doux comme le bicarbonate de soude peut être utilisé pour frotter la surface, avec un chiffon, une éponge ou une brosse à poils doux, pour enlever la rouille.
2. Lorsque la rouille et tous les contaminants sont éliminés, le chrome s'auto-passive instantanément, créant ainsi son propre bouclier protecteur.
3. La couche d'oxyde de chrome s'épaissit au cours des jours suivants, donc le séchage à l'air pendant la nuit aide à renforcer sa protection !
4. Après un bon rinçage, l'acier inoxydable peut être laissé sécher à l'air libre ou peut être nettoyé et poli avec un nettoyant pour acier inoxydable personnalisé.

Dans les environnements de fabrication, l'acier inoxydable est parfois nettoyé dans un bain chaud d'acide nitrique, qui "force" une couche de passivation plus épaisse. Pour des raisons environnementales, de nombreux fabricants se tournent actuellement vers l'utilisation d'acide citrique pour le nettoyage, ce qui pourrait être plus courant à la maison, et permettent ensuite à l'acier inoxydable de "passiver automatiquement".

Comment enlever la rouille de la fonte et de l'acier

Contrairement à l'élimination de la rouille des alliages d'acier inoxydable, l'utilisation d'une laine d'acier ou d'une brosse à poils métalliques peut aider à éliminer la rouille de la fonte ou de l'acier !

Pour les petites surfaces simples, comme les casseroles en fonte rouillées :

1. Une éponge à récurer et un peu d'huile de coude peuvent enlever la couche d'oxyde de fer. Le sel est un abrasif couramment utilisé.
2. La casserole doit ensuite être bien lavée.
3. La casserole doit être séchée à chaud, de sorte que tous les pores de la surface soient chassés de liquide.
4. La fonte doit être assaisonnée d'huile, qui forme un scellant polymère lorsqu'elle est cuite sur la surface.
5. Cette huile peut être peinte sur la surface en une fine couche puis cuite (à l'envers pour éviter la formation de flaques) à 375° pendant 1 heure. Des couches supplémentaires peuvent être ajoutées si vous le souhaitez.
6. L'huile de lin de qualité alimentaire est le choix idéal dans les huiles d'assaisonnement, offrant une finition dure et brillante.

Le frottement n'est pas pratique pour de nombreux objets de formes ou de tailles complexes. Dans ce cas, les méthodes chimiques d'élimination peuvent être la meilleure approche. Ils ont une efficacité variable selon le type d'alliage en cause. Des ingrédients ménagers courants comme le vinaigre, la mélasse ou l'acide citrique peuvent être utilisés. La mélasse est un choix surprenant, et elle prend plus de temps que le vinaigre, mais elle peut être assez efficace, car elle se décompose en acide oxalique, qui aide à éliminer la rouille.

Des produits antirouille commerciaux, souvent fabriqués avec des acides plus puissants, sont également disponibles. Le trempage dans ces liquides, puis le retrait et le séchage peuvent être efficaces pour restaurer de vieux trésors rouillés.

Comme pour les casseroles en fonte, cependant, il est important de considérer comment votre acier et votre fer seront protégés des éléments après avoir été nettoyés.

Protéger les métaux ferreux

Le fer, en présence d'air et d'eau, rouillera. Cela signifie que depuis que l'humanité travaille le fer, nous travaillons également sur les meilleurs mastics pour le fer. Il existe de nombreuses façons de créer un calque serré.

Passivation forcée -Une forme très courante de scellement du fer ou de l'acier consiste à corroder la première couche en un oxyde de fer (II), ou oxyde noir, qui fonctionne comme les autres patines métalliques et scelle le métal. La seule différence entre ce processus et celui qui se produit avec le cuivre, le zinc ou le chrome est qu'il ne se produira pas dans des conditions environnementales normales. Par conséquent, si la couche supérieure de l'article est endommagée, l'ensemble de l'article devra être remis en état. Ceci est connu sous le nom de "bleuissement" lorsqu'il est effectué avec des pistolets via un processus, ou de "noircissement" dans la plupart des ateliers d'usinage, via un processus similaire mais des produits chimiques légèrement différents. Dans les processus de noircissement à froid, l'oxyde de fer (II) peut être peint sur la surface, offrant une protection légèrement moins durable.

Utilisation et entretien réguliers, y compris huilage ou cirage —Certains fers ou aciers travaillés seront laissés pour la plupart bruts, où l'utilisation, les soins ou l'environnement les garderont brillants. Traditionnellement, les armes comme les épées et les équipements comme les couteaux pouvaient être laissés « bruts », mais étaient séchés et huilés avec des huiles minérales ou de cuisson, qui sont des scellants temporaires nécessitant une réapplication régulière. Pour un stockage prolongé, des cires et autres vernis peuvent être utilisés pour créer un joint, mais qui s'usera encore à l'usage.

Les pièces du moteur exposées à l'huile ordinaire peuvent être laissées brutes, car la chaleur et l'huile autour du moteur les rendent peu susceptibles de rouiller, mais les surfaces extérieures peuvent être peintes. Les systèmes d'échappement des voitures dépendent des températures plus élevées d'un moteur entièrement chaud pour empêcher la corrosion, et donc conduire suffisamment longtemps pour que le bloc moteur chauffe est un moyen d'empêcher la rouille dans un silencieux. (Dans les moteurs de course hautes performances, l'intérieur peut également être peint, mais c'est surtout pour faciliter la circulation de l'huile.)

Mastics appliqués —De nombreux produits sidérurgiques sont protégés en étant recouverts d'une couche dure d'une autre substance. Ceux-ci incluent :

• Huile polymérisée : L'huile de lin (faite de lin, mais pas selon les normes de qualité alimentaire) était l'une des finitions originales des produits en fer forgé. Un forgeron peut tremper dans de l'huile ou peindre un objet avec de l'huile, puis le torcher, ce qui donne le lustre brun-noir traditionnel que nous imitons encore aujourd'hui sur le fer forgé, généralement avec des laques, des peintures ou des vernis.
• Galvanisation à chaud : Dans ce procédé, le zinc est appliqué sur de l'acier ou du fer dans un bain fondu. La galvanisation au zinc a plusieurs propriétés protectrices. Tout d'abord, il crée une patine, qui scelle à la fois le zinc et le fer ou l'acier en dessous. Deuxièmement, il est plus "actif" que les métaux auxquels il est appliqué. Au cours de la durée de vie d'un objet en acier galvanisé, le zinc agit comme «l'anode sacrificielle». En se dégradant, il protège et ralentit la corrosion de l'acier en dessous, même si cet acier est exposé.
• Galvanoplastie : Le zinc peut être appliqué à l'acier non pas par un bain de trempage, mais en faisant passer une charge électrique à travers l'objet en acier et en pulvérisant l'objet avec des particules de zinc chargées. Cela provoque une liaison électrique uniforme et ininterrompue sur la surface du métal.
• Poudre : Le processus d'application d'un revêtement en poudre ressemble à celui de l'application de zinc en ce sens que l'objet et le mastic sont tous deux chargés électrostatiquement, ce qui signifie une liaison moléculaire sans même les plus petites interruptions qui laisseront passer l'humidité. La couche de poudre résineuse est ensuite cuite sur l'objet dans un four chaud. Le manteau conservera son éclat pendant des années, offrant une protection supérieure et nécessitant un minimum d'entretien.
• Peinture : À l'intérieur comme à l'extérieur, et même au cœur des moteurs hautes performances, la peinture est un scellant populaire et polyvalent. En tant que mastic peu coûteux, il fait toujours un très bon travail pour protéger le fer et l'acier des éléments. Lorsqu'il se fissure et s'use, il est assez simple de le poncer et de le réappliquer. L'inconvénient de la peinture est sa propre tendance à se fissurer et à s'écailler par temps :même un petit trou dans la couche de scellant peut déclencher le processus de rouille en dessous. Cependant, ces inconvénients sont parfois gérables par l'utilisation d'une partie ou d'une partie d'une routine de maintenance régulière.

Entretien des objets métalliques

Le métal est un matériau classiquement durable, utilisé pour créer des objets et des structures qui dureront de nombreuses vies. Pourtant, la plupart des métaux sont encore vulnérables à la corrosion et à la dégradation électrochimique. Au début d'un projet, la prise en compte de l'environnement dans lequel le métal se trouvera permet au concepteur de choisir le métal qui résistera le mieux dans ces conditions.

Le fer est très sujet à l'oxydation et la rouille s'installe généralement avec le moindre soupçon d'eau et d'oxygène. Contrairement à d'autres métaux, cette oxydation ne formera pas sa propre couche passive d'étanchéité. Par conséquent, les mastics sont généralement utilisés avec des métaux ferreux. Trouver le bon type et garder un œil sur le métal au cours des décennies d'utilisation peut aider à prolonger la durée de vie de tout objet métallique.