Un métallurgiste explique : qu'est-ce que la rouille et comment elle se forme

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

La rouille est le nom commun pour les produits chimiques qui résultent lorsque le fer réagit avec l'oxygène et l'eau. « Rouille » est mal défini en chimie — beaucoup de produits chimiques peuvent être formés lorsque le fer est laissé exposé. Cependant, nous faisons généralement référence à l'aspect rouge et feuilleté qui résulte de certains produits chimiques comme la rouille.

Le fer ou l'acier en corrosion produisent de nombreux composés différents dans des conditions environnementales régulières. Certains de ces produits chimiques seront noirs, bleus, jaunes, gris ou bruns, selon les molécules qu'ils capturent de l'environnement pendant la rouille. Par exemple, la pluie acide qui contient du soufre peut se combiner avec le fer pour créer des molécules de pyrite, le minéral jaune appelé « or des fous ». Ces minéraux ne sont pas ce que nous pensons comme de la rouille. Ce que nous entendons généralement est un type d'oxyde de fer (III), qui est rouge ou rouge-brun en apparence.

Lorsque nous parlons de fer qui rouille, nous ne le relions pas toujours aux changements chimiques que nous observons dans d'autres métaux que nous utilisons régulièrement. Nous ne parlons pas de l'argent ou du cuivre « rouillant ». Au lieu de cela, le cuivre est dit développer une patine, et l'argent est dit se ternir. Tous ces termes décrivent le métal exposé qui se corrode.

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 dans leur forme thermodynamiquement la plus stable. Ils réagissent avec les molécules dans l'air autour d'eux pour trouver un état plus stable.

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

Certains métaux ne se corrodent pas parce qu'ils sont déjà chimiquement stables. L'or et le platine sont des exemples : ils sont plus susceptibles d'être trouvés comme métal élémentaire pur dans la croûte terrestre pour cette raison. L'argent est également trouvé comme un métal pur, car lorsqu'il se ternit, le ternissement lui-même crée un scellant thermodynamiquement stable autour du reste du métal. Ce film passif empêche 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 son lien avec la couche de cuivre en dessous, la scellant et la protégeant des molécules atmosphériques.

En revanche, les oxydes de fer (III) rouges ne se lient pas au fer en dessous, mais s'en détachent et s'écaillent. Par conséquent, la rouille ne fournit pas de couche de passivation, mais se corrode plutôt, exposant la couche suivante de fer 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 ont un métal dans le mélange 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 couche très fine qui protège le fer.

Types courants de corrosion métallique

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

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

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

L'aluminium est un métal qui est généralement protégé par un film passif pendant la corrosion. Cependant, l'aluminium peut être rapidement corrodé jusqu'à la défaillance s'il est boulonné avec des vis en acier inoxydable, en raison de la corrosion galvanique. Les vis en acier, d'autre part, seront plus résistantes à la rouille ! La fourniture par l'anode d'un flux constant d'électrons empêche la corrosion dans le métal cathodique. Pour cette raison, des « anodes sacrificielles » sont parfois attachées au métal qui sera exposé à la mer, comme sur la coque d'un navire, pour protéger électrochimiquement la membrane du navire.

La 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 l'échec du « scellant » sur le matériau, que ce soit un scellant artificiel comme la peinture ou le revêtement en poudre, ou le film 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 y a différentes phases de ces structures de grains. Si la chimie est irrégulière ou déformée, cela peut causer des points plus vulnérables à la corrosion, et même créer une corrosion galvanique à travers le corps de ce qui est le même métal.

L'acier inoxydable peut-il rouiller ?

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

Cependant, même l'acier inoxydable peut rouiller ! Tout le fer qui est enfermé dans le métal a juste besoin d'avoir une exposition pour réagir. Il compte sur la couche passive « scellante » d'oxyde de chrome pour le protéger.

La couche d'oxyde de chrome n'a que quelques molécules d'épaisseur, et elle n'est pas formée instantanément. Lorsque l'acier inoxydable est fabriqué, il est nettoyé avec un acide. Cet acide enlève tout fer, sel ou dépôt de graisse de 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 se passiver naturellement dans l'air.

Parce que ce film passif est un produit chimique, il peut être perturbé. Une chaleur très élevée excédant 750 °F (400 °C) peut causer des changements moléculaires dans le chrome qui empêchent l'oxydation, donc la rouille peut s'installer autour du site d'une soudure sur 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 (limité inférieurement à 10,5 %).

Par conséquent, frotter l'acier inoxydable avec de la laine d'acier peut aggraver un problème de rouille ! Alors que le chrome est usé, les molécules d'acier du nettoyeur peuvent devenir partie du métal de base, abaissant le contenu local 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 de ne pas rayer la surface de chrome », et recommandent donc d'éviter les abrasifs et 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. L'objectif du nettoyage de la rouille de l'acier inoxydable dans un contexte non industriel (à la maison ou dans une petite cuisine commerciale), est de d'abord nettoyer l'alliage inoxydable complètement, en enlevant toute la rouille mais aussi tous les dépôts de fer, sel, graisse ou acide, et puis de permettre au matériau de « s'auto-passiver », c'est-à-dire de réagir avec l'air pour reformer le scellant. Rester à l'écart de toutes formes de fer et d'acier lors de ce processus est un moyen 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 souples, pour enlever la rouille.
2. Au fur et à mesure que la rouille et les contaminants sont enlevés, le chrome s'auto-passivera instantanément, créant son propre bouclier protecteur.
3. La couche d'oxyde de chrome devient plus épaisse au cours des jours suivants, donc le séchage à l'air pendant la nuit aide à construire sa protection !
4. Après un bon rinçage, l'acier inoxydable peut être laissé à sécher à l'air, ou peut être nettoyé et poli avec un nettoyant personnalisé pour acier inoxydable.

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 passent actuellement à l'utilisation d'acide citrique pour le nettoyage, comme pourrait être plus courant à la maison, et permettent ensuite à l'acier inoxydable de « s'auto-passiver ».

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

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

Pour les surfaces simples et plus petites, comme les poêles en fonte rouillées :

1. Un récurant et un peu d'huile de coude peuvent enlever la couche d'oxyde de fer. Le sel est un abrasif couramment utilisé.
2. La poêle doit ensuite être bien lavée.
3. La poêle doit être séchée au feu, afin que tous les pores de la surface aient le liquide chassé d'eux.
4. La fonte doit être assaisonnée avec de l'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 l'accumulation) à 375 °F (190 °C) pendant 1 heure. Des couches supplémentaires peuvent être ajoutées si désiré.
6. L'huile de lin 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 tailles complexes. Dans ce cas, les méthodes chimiques d'enlèvement peuvent être la meilleure approche. Elles ont une efficacité variable, selon le type d'alliage impliqué. Des ingrédients ménagers courants comme le vinaigre, la mélasse ou l'acide citrique peuvent être utilisés. La mélasse est un choix surprenant, et cela prend plus de temps que le vinaigre — mais cela peut être assez efficace, car elle se décompose en acide oxalique, qui aide à enlever la rouille.

Les produits commerciaux d'enlèvement de rouille — souvent faits avec des acides plus forts — sont également disponibles. Tremper dans ces liquides puis retirer et sécher peut être efficace pour restaurer de vieux trésors rouillés.

Comme avec les poêles en fonte, il est important de considérer comment votre acier et fer seront protégés des éléments après qu'ils aient été nettoyés.

Protéger les métaux ferreux

Le fer, en présence d'air et d'eau, rouillera. Cela signifie que tant que l'humanité a travaillé le fer, nous avons également travaillé sur les meilleurs scellants pour le fer. Il y a de nombreuses façons de créer une couche étanche.

Passivation forcée — Une forme très courante de scellage du fer ou de l'acier est de corroder la première couche en un oxyde de fer (II), ou oxyde noir, qui fonctionne comme d'autres patines de métal et scelle le métal. La seule différence entre ce processus et celui qui arrive au cuivre, au zinc ou au chrome, est qu'il ne se produira pas sous des conditions environnementales régulières. Par conséquent, si la couche supérieure sur l'article est endommagée, tout l'article devra être refait. C'est ce qu'on appelle le « brunissage » quand c'est fait sur les armes à feu par un processus, ou « noircissement » dans la plupart des ateliers d'usinage, par un processus similaire mais avec des produits chimiques légèrement différents. Dans les processus de noircissement à froid, l'oxyde de fer (II) peut être peint sur la surface, fournissant une protection légèrement moins durable.

Utilisation et entretien réguliers, y compris huilage ou cirage — Certains fers ou aciers de travail seront laissés principalement bruts, où l'utilisation, l'entretien ou l'environnement les maintiendront brillants. Traditionnellement, les armes comme les épées et l'équipement comme les couteaux pourraient avoir été laissés « bruts » mais seraient séchés et huilés avec des huiles minérales ou de cuisine, qui sont des scellants temporaires nécessitant une réapplication régulière. Pour un stockage long, des cires et autres polis pourraient être utilisés pour créer un scellant — mais qui s'userait encore avec l'utilisation.

Les pièces de moteur exposées à l'huile régulière pourraient être laissées brutes, car la chaleur et l'huile autour du moteur les rendent peu susceptibles de rouiller, mais les surfaces extérieures pourraient être peintes. Les systèmes d'échappement des voitures comptent sur les températures plus élevées d'un moteur complètement chaud pour prévenir la corrosion, et donc conduire assez longtemps pour que le bloc moteur chauffe est un moyen de prévenir la rouille dans un silencieux. (Dans les moteurs de course haute performance, l'intérieur pourrait aussi être peint, mais c'est principalement pour aider à la circulation de l'huile.)

Scellants appliqués — De nombreux produits en fer et acier sont protégés en étant revêtus d'une couche dure d'une autre substance. Ceux-ci incluent :

• Huile polymérisée : L'huile de lin (faite de lin, mais pas aux normes alimentaires) était l'une des finitions originales pour les produits en fer forgé. Un forgeron pourrait tremper dans l'huile ou peindre un objet avec de l'huile puis le chauffer au chalumeau, fournissant le lustre noir-brun traditionnel que nous émulons encore sur le fer forgé aujourd'hui — généralement avec des laques, peintures ou vernis.
• Galvanisation à chaud : Dans ce processus, le zinc est appliqué sur l'acier ou le fer dans un bain en fusion. La galvanisation au zinc a plusieurs propriétés protectrices. Premièrement, elle crée une patine, qui scelle à la fois le zinc et le fer ou l'acier en dessous. Deuxièmement, elle est plus « active » que les métaux auxquels elle est appliquée. Au cours de la vie d'un objet en acier galvanisé, le zinc agit comme « anode sacrificielle ». En se dégradant, il protège et ralentit la corrosion de l'acier en dessous, même si cet acier est exposé.
• Électroplacage : Le zinc peut être appliqué sur 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 cause une liaison électrique qui est uniforme et ininterrompue sur la surface du métal.
• Revêtement en poudre : Le processus d'application du revêtement en poudre est comme celui de l'application du zinc en ce que l'objet et le scellant sont tous deux électrostatiquement chargés, signifiant une liaison moléculaire sans même les plus infimes interruptions qui laisseraient passer l'humidité. La poudre résineuse est ensuite cuite sur l'objet dans un four chaud. Le revêtement maintiendra l'éclat pendant des années, fournissant une protection supérieure et nécessitant un entretien minimal.
• Peinture : À l'intérieur comme à l'extérieur, et même au cœur des moteurs de haute performance, la peinture est un scellant populaire et polyvalent. En tant que scellant peu coûteux, elle fait encore un très bon travail pour protéger le fer et l'acier des éléments. Quand elle craque et s'use, il est assez simple de poncer et de réappliquer. L'inconvénient de la peinture est sa propre tendance à craquer et s'écailler par temps : même un petit trou dans la couche de scellant peut démarrer le processus de rouille en dessous. Cependant, ces inconvénients sont parfois gérables sur l'utilisation d'une pièce ou dans le cadre d'une routine d'entretien régulière.

Entretenir les objets métalliques

Le métal est un matériau classiquement durable, utilisé pour créer des objets et des structures pour durer sur de nombreuses vies. Pourtant, la plupart des métaux sont encore vulnérables à la corrosion et à la décadence électrochimique. Au début d'un projet, la considération de l'environnement dans lequel le métal sera permet à un concepteur de choisir le métal qui tiendra le mieux dans ces conditions.

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