Galvanisation de l'acier : protection puissante contre l'oxydation pour performance durable

Pourquoi choisir l'acier galvanisé plutôt que l'acier inoxydable ?

On dit qu'on est « galvanisé » quand quelque chose nous pousse à l'action. Alors que signifie « acier galvanisé » ou métal galvanisé ?

Tout est dans le choc.

Les métaux ferreux contiennent du fer et représentent 90 % de la production métallique mondiale. Le fer est dense, résistant (allié au carbone → acier), abondant, facile à raffiner. Ces propriétés en font le métal le plus important pour l'industrie et la construction.

Cependant, le fer et beaucoup de ses alliages rouillent fortement exposés à l'air et l'eau. Protéger contre la corrosion fait partie de la conception des métaux ferreux. Parfois, la protection vient du type d'alliage : les aciers inoxydables ont chrome et autres éléments pour protection chimique. Mais ces ajouts modifient les propriétés mécaniques. Ils peuvent être coûteux. Parfois, un scellant : revêtement poudre, peinture, traitements à l'huile.

L'acier galvanisé est encore plus courant, mais moins compris. Comment fait-on de l'acier galvanisé ? Cela pousse-t-il les métaux ferreux à l'action ? L'acier galvanisé rouille-t-il ? Quand utiliser acier galvanisé vs aluminium vs inox ?

Qu'est-ce que l'acier galvanisé ?

La galvanisation est un processus où des revêtements de zinc sont appliqués sur l'acier ou le fer, créant une barrière protégeant le métal ferreux de la corrosion. La couche de zinc agit physiquement (bloque eau et air de la surface de l'acier) et chimiquement (protection cathodique). Cette protection est électrochimique… comme la « galvanisation » métaphorique qui nous excite à l'action. Le terme vient du scientifique du XVIIIe siècle Luigi Galvani, pionnier en bioélectromagnétisme.

La galvanisation se fait généralement à haute chaleur. Bien qu'une couche de zinc puisse s'appliquer par peinture ou électrolyse, cela ne crée qu'une fine couche — surface brillante de seulement 3 microns. Une application topique comme celle-ci est vulnérable en extérieur où la résistance à la corrosion importe.

La vraie galvanisation se fait à haute chaleur, reposant sur l'interaction chimique entre zinc, oxygène et dioxyde de carbone. Les trois réagissent à température pour créer une couche de carbonate de zinc gris foncé, typiquement 50 microns d'épaisseur, bien plus durable en extérieur.

L'acier galvanisé rouille-t-il ?

Vous vous demandez peut-être : « l'acier galvanisé rouille-t-il ? » Réponse : oui… dans une certaine mesure, selon les conditions. L'étendue de la rouille dépend de l'épaisseur du revêtement protecteur de zinc (détail ci-dessous) et du type d'environnement corrosif.

Conditions où l'acier galvanisé rouille : humidité élevée, environnements mouillés/immergés, sel dans l'air/eau, mousse, acides. Mais la galvanisation résiste bien au contact avec béton, mortier, plomb, étain, zinc, aluminium.

La galvanisation prolonge la lutte contre la rouille. Elle repose sur l'oxydation du zinc pour protéger contre l'oxydation de l'acier/fer. Dans de bonnes conditions, l'acier galvanisé résiste à la rouille jusqu'à 50 ans. La rouille (oxydation du fer) est stoppée. Pourtant l'oxydation se produit encore dans le zinc (ce n'est juste pas appelé rouille).

Quand le zinc est entièrement converti par oxydation, il ne protège plus et l'acier est attaqué.

Galvanisation à chaud (Hot-dip)

La galvanisation à chaud est la forme la plus courante. Pièces en acier/fer nettoyées (débris, calamine) puis plongées dans bain de zinc ou alliage zinc à ~450 °C (840 °F). L'acier reste jusqu'à atteindre la même température, puis retiré et refroidi. Refroidissement rapide ou lent selon l'aspect final souhaité.

La galvanisation à l'alliage (Galvannealing) utilise un bain de zinc avec ajout d'aluminium. Tant que le métal est chaud, le produit entier est traité thermiquement, formant plusieurs strates d'alliages zinc-fer. L'aluminium et le traitement thermique postérieur donnent une meilleure soudabilité. L'acier galvanneal développe généralement une patine rougeâtre type rouille mais ne corrode pas comme les alliages ferreux non protégés.

Galvanisation à sec (Dry galvanizing / Sherardizing)

Méthode moins courante : galvanisation à sec, ou shérardisation, du métallurgiste Sherard Cowper-Coles. Petites pièces en acier chauffées dans un tambour rotatif fermé, avec poudre de zinc et sable, jusqu'à ce que température et rotation fusionnent chimiquement le zinc à la surface. La pièce est ensuite trempée. Souvent utilisée pour petites pièces et surfaces internes inaccessibles au bain chaud.

Fleur de galvanisation (Spangle)

Caractéristique traditionnellement reconnaissable de l'acier galvanisé : la fleur (spangle) en surface. Tout métal gèle en formes cristallines, comme flocons de neige serrés. Pour la plupart métaux, grains trop petits ou frontières non visibles sans attaque. La galvanisation zinc-alliage permet de voir le motif de cristallisation lors du figeage.

Forme et taille de la fleur indiquent les conditions de refroidissement post galvanisation à chaud. Refroidissement plus lent = grains plus grands, souvent formes plume/feuille. Trempe rapide = grains plus petits, réguliers, cubiques.

Beaucoup de belles fleurs sont créées avec de faibles quantités de plomb ou étain dans l'alliage zinc. Ces ajouts favorisent la création dendritique des grains — processus de figeage encourageant formes plumeuses s'étendant en surface. Le développement de galvanisation sans plomb a créé des revêtements zinc qui gèlent depuis l'acier vers l'extérieur. Ces alliages sans plomb peuvent créer des fleurs plus rondes, <0,5 mm. L'interaction alliage/conditions de figeage permet au galvaniseur expérimenté d'influencer taille et forme de la fleur.

Corrosion galvanique et anodes sacrificielles

La galvanisation n'est pas qu'une coquille de zinc barrière physique. Si c'était le cas, d'autres métaux serviraient. Le zinc protège par un processus chimique : « protection cathodique ».

Quand deux métaux aux potentiels électriques très dissemblables sont placés ensemble dans un bain d'électrolyte, ils agissent comme anode et cathode dans une réaction électrochimique, créant un courant. Le plus « actif » (anode) corrode plus vite que seul, car il cède des électrons. Les molécules dépouillées d'électrons dans cette anode sont chimiquement instables, cherchent à former molécules stables avec l'environnement, produisant oxydes et produits de corrosion. Les piles utilisent cette corrosion galvanique pour générer du courant.

Les métaux sont classés par réactivité dans un index anodique. L'or, métal le plus inerte/passif, sert de référence. Tous les autres métaux reçoivent un nombre représentant leur tension dans un bain d'électrolyte avec l'or. Cet index base l'échelle galvanique, classant métaux du plus passif au plus actif :

En galvanisation, le zinc (métal anodique) recouvre l'acier/fer. Il scelle, mais s'il y a micro-trous, le sacrifice électrochimique du zinc fait qu'il corrode en premier, comme le plus actif des deux. Cette propriété d'un métal plus anodique protégeant un plus cathodique est utilisée exprès sur coques de bateaux, immergées en eau de mer, risquant corrosion. Ces anodes sacrificielles, aussi appelées « zincs », sont généralement boulonnées à la coque. Souvent, pièces en zinc sont intégrées au design d'hélice ou autre dispositif.

Le zinc se sacrifie vite, mais pas trop vite, en présence de fer. Sur l'échelle galvanique, aluminium, magnésium, béryllium semblent aussi « plus actifs » et protecteurs. Mais l'aluminium est plus dur à lier à l'acier, plus cher, et trop proche sur l'index anodique pour fonctionner aussi bien comme anode sacrificielle. De l'autre côté, le magnésium se dissoudrait beaucoup plus vite, et pourrait être plus réactif dans beaucoup d'environnements. Le zinc a aussi l'avantage de protéger contre dégradation organique/bactérienne. Béryllium : rare, cher, très instable.

Finition de l'acier galvanisé

La rouille blanche (white-rust) peut se former sur l'acier galvanisé quand le zinc se dégrade en hydroxyde de zinc. Cette « rouille » est bien produit de corrosion du zinc, mais en conditions normales à taux bien plus lent que l'acier non protégé. Pour ralentir davantage, parfois le métal galvanisé est huilé, ou passivé au chrome, pour créer une couche de scellement finale. Ce métal huilé/passivé ne peut être peint ni fini autrement, mais en beaucoup de climats restera beau des décennies et structuralement sain plus longtemps. L'acier galvanisé utile pour pièces de travail huilées qui verraient la peinture s'user vite.

Dans applications où l'esthétique peinture/revêtement poudre est préférée, l'acier galvanisé peut rester sans revêtement. Mais le plus souvent, un objet est soit galvanisé, soit peint, pas les deux, pour maintenir l'économie de chaque approche.

Acier galvanisé vs aluminium vs acier inoxydable

La galvanisation est un moyen rentable de protéger le métal exposé à éléments potentiellement corrosifs. Aluminium et inox servent aussi pour applications nécessitant métal fort, résistant à la corrosion. Meilleurs choix pour ustensiles de cuisine, couverts, santé : trop de zinc peut être toxique, acides et chaleur peuvent mobiliser le zinc. Là où le gris terne de l'acier galvanisé n'est pas idéal, ils offrent esthétique plus brillante, adaptable.

Aluminium et inox coûtent plus cher, propriétés mécaniques pas identiques à l'acier. Pour applications où propriétés mécaniques, esthétique, ou poids du métal importent, matériaux plus chers peuvent être optimaux. Ailleurs, où la fonctionnalité de l'acier standard est désirée, la galvanisation est idéale pour imperméabilisation à bas coût.