Revue bibliographique sur la corrosion des métaux et des alliages, plus particulièrement l’acier

Depuis la nuit des temps, l’homme faisait déjà des objets et des ustensiles à partir de la terre, la pierre et le bois. Actuellement, à l’aide des développements scientifique et technologique, l’humanité dispose d’un important arsenal de machines et d’appareils, très diversifiés, fabriqués entièrement ou partiellement avec du fer allié, qui est l’acier. A tel point que, de nos jours, le degré de développement d’un pays se mesure par la quantité de cet alliage qu’il consomme. La large utilisation de ce matériau est rendue possible grâce à sa disponibilité, son usinage facile avec des coûts relativement supportables. En revanche, il présente l’inconvénient d’être corrodable au contact de l’air et l’eau, et en particulier en présence d’espèces corrosives, telles que les chlorures et les sulfates [1-4]; ce qui entraine beaucoup de préjudices matériels aux économies des entreprises et des pays, estimés à des centaines de milliards de dollars à l’échelle mondiale, dont plus de 60 milliards de dollars aux U.S.A, chaque année [5].

Le processus de corrosion résulte d’une interaction entre les métaux/alliages et leur environnement. Les conséquences de ce processus sont importantes dans divers domaines, et en particulier à l’échelle industrielle, où cela peut entrainer l’arrêt de production, le remplacement des pièces corrodées, les accidents et risques de pollution, etc. A cet effet, l’ingénierie de la corrosion est l’art d’appliquer les connaissances de la science et de la technologie pour prévenir ou contrôler économiquement les dommages subis, en toute sécurité dans tous les secteurs et domaines industriels. Le spécialiste en corrosion doit connaitre et maitriser parfaitement les principaux concepts des sciences et techniques ayant trait à ce phénomène, telles que la chimie, la métallurgie, les propriétés physiques et mécaniques des matériaux, les tests de corrosion, les circuits électriques, l’électrochimie, etc. Et ce, afin de pouvoir bien contrôler et maitriser le phénomène de corrosion, lorsqu’il se déclenche.

Ainsi, pour résoudre les problèmes liés à la corrosion, l’opérateur doit sélectionner la méthode adéquate, qui maximisera les bénéfices et minimisera les moyens investis dans la prévention et aura une efficacité élevée pour une longue durée de protection [6]. Parmi les nombreuses approches, les plus répandues en matière de protection de la corrosion, il est connu celle des « inhibiteurs de corrosion ». Celle-ci consiste en l’utilisation de composés chimiques, qui lorsqu’ils sont ajoutés en faibles quantités au milieu corrosif, protègent la surface du matériau et retardent sa dégradation. Parmi les inhibiteurs les plus connus et les plus utilisés, ayant déjà montré leurs efficacités inhibitrices vis à vis de la corrosion des matériaux ; on distingue particulièrement, le chrome hexavalent et le phosphate [7]. Mais, les composés à base de Cr (VI) ont été interdits en Europe depuis l’année 2007, et cette mesure va bientôt se généraliser dans le monde entier, à cause de leur toxicité et leur caractère cancérigène [8-10] ; ceci constitue une sérieuse préoccupation environnementale à cause de l’eutrophisation [11]. Par conséquent, les recherches se dirigent vers l’utilisation d’autres inhibiteurs, dits ‘’verts’’ et respectueux de l’environnement.

Généralités sur la corrosion 

Selon la NACE international (une référence mondiale en matière de corrosion), la corrosion est définie comme étant la dégradation d’un matériau, généralement métallique, qui résulte de sa réaction avec son environnement [2]. Cette dégradation se produit, à la suite de contact du métal, soit avec l’atmosphère humide, les milieux salins et sulfatés, ou les solutions plus ou moins agressives, et surtout les milieux contenant des ions de la famille halogénures [3- 4], ce qui permettra le développement d’un type de corrosion très spécifique « corrosion localisée », se faisant généralement par piqûres à la surface du métal [5-6]. Le mécanisme de développement de ce type de corrosion est bien décrit dans la littérature [7]. Il est bien connu que l’état thermodynamique le plus stable des métaux dans la nature, est celui de l’oxyde ou du sulfure. Tous les métaux et alliages, excepté l’or et le platine se convertissent vers leur forme la plus stable thermodynamiquement, en l’occurrence la forme oxydée ; ce qui mène à retarder ou même stopper l’activation du phénomène de dissolution, par la formation de couches passives, d’oxyde, hydroxyde ou d’oxy-hydroxyde ; où dans la plupart des temps, ce type de film passif est bénéfique pour la protection du métal, en lui fournissant une séparation efficace contre les attaques des ions agressifs de l’électrolyte (ceci dans le cas où le film passif est isolant et non poreux).

La plupart des communautés scientifiques s’accorde sur le fait, que les oxydes formés sur les différents métaux et alliages sont à doubles couches (couche duplex) [8-9]. La composition de chaque couche dépend évidemment du matériau utilisé et du milieu environnant. Ainsi, quelques chercheurs ont proposé un modèle pour présenter ce film passif duplex, se composant d’une couche d’oxyde dans la partie interne du film, et d’une couche externe d’hydroxyde ou d’oxy-hydroxyde .

Lutte contre la corrosion

La lutte contre la corrosion inclue toutes les précautions à prendre en compte pour éviter la dégradation des matériaux métalliques dans le milieu corrosif. La protection la plus adéquate, c’est de choisir un matériau résistant pour allonger considérablement sa durée de vie [22]. Dans le secteur industriel, la protection contre la corrosion est considérée comme une solution parfaite, pour retarder la corrosion et éviter l’endommagement des équipements et des pièces métalliques. Ainsi, dans le but de retarder ce phénomène destructif, les entreprises proposent plusieurs techniques, plus ou moins, complexes, dont la solution proposée doit être adoptée et strictement compatible avec les critères écologiques et sanitaires. Parmi ces techniques, il y en a plusieurs, dont :

● Protection par revêtement.
● Protection électrochimique [1].
● Conversion chimique.
● Protection par inhibiteurs [23].
● Protection cathodique par des métaux moins nobles. Dans ce cas, l’aluminium, le magnésium et le zinc, sont les anodes sacrificielles galvaniques les plus couramment utilisées.
● Protection par des matériaux ayant des potentiels d’électrodes semblables.

Le choix du type de protection contre la corrosion, dépend de quelques critères, dont: les matériaux utilisés, la durée de vie souhaitée pour la protection, le coût de l’opération et le milieu corrosif existant. Pour ce qui est de notre travail, nous avons utilisé « la protection par inhibiteurs », pour étudier le comportement d’un acier doux vis-à-vis de la corrosion dans les milieux aqueux NaCl et Na2SO4, respectivement.

Protection par inhibiteurs de corrosion

Historique

Comme pour tous les phénomènes qui remontent au passé lointain, il est extrêmement difficile de préciser la date « temporelle » exacte de la mise en évidence du phénomène d’inhibition de la corrosion, considérée comme un processus à part. Ainsi dans l’histoire, on lit que les romains (de 27 avant J.C à 1453 après J.C) furent les premiers ayant fait la lumière sur ce phénomène, et ce via l’écrivain et naturaliste romain du premier siècle Pline l’Ancien (en latin Gaius Plinius Caecilius Secundus / 23-79 après J.C), qui a rapporté dans son ouvrage écrit à environ 77 après J.C, d’une monumentale encyclopédique intitulée « Historia naturalis », des méthodes de protection pour retarder le processus de corrosion du fer et du bronze par des extraits naturels, en l’occurrence la poix, le gypse et la céruse pour le fer, et l’huile et le bitume pour le bronze. En fait, l’étude de la corrosion a sérieusement débuté aux environs du 17ème siècle, malgré que sa mise en œuvre « scientifiquement » comme un moyen de lutte contre la corrosion, n’a été réalisée pour la première fois, qu’au cours du 19ème siècle. Ainsi, il y a déjà plusieurs décennies, qu’il a été observé que le dépôt de calcaire formé sur les surfaces intérieures des conduites des eaux naturelles protégeait ces conduites, en réagissant avec la matière, qui les constitue. Là, il fallait ajuster les concentrations (minimales) des solutions transportées pour avoir la protection prévue. Il fut déjà par le passé (en 1945), que les recherches dans ce domaine étaient rares, et on ne comptait que quelques dizaines d’articles publiés (moins d’une trentaine), qui traitaient l’inhibition de la corrosion. Toutefois, les années cinquante ont vu le premier élan spécifique en matière de développement technologique dans ce domaine par l’utilisation d’inhibiteurs destinés aux applications électrochimiques [24], tout en poursuivant cette tendance croissante pendant les années 1970, où l’on dénombrait plus de 647 articles publiés, traitant l’inhibition, dans le domaine des sciences des matériaux [25]. Du même coup, en 2012, ce nombre s’était vu augmenter à 17000 articles.

Parallèlement, une augmentation impressionnante de demande sur l’utilisation des inhibiteurs de corrosion a été enregistrée au cours des dernières années, au point que des études plus récentes ont estimé que la demande américaine sur les inhibiteurs de corrosion augmentera de 4,1% chaque an, pour valoir 2,5 milliards USD, en 2017. Et en 2012, la demande du marché sur les inhibiteurs s’était vu répartie sur 26,6% pour le raffinage de pétrole, 16,9% pour les services publics, 16,7% pour le gaz et la production de pétrole, 15,3% pour les produits chimiques, 9,5% pour des métaux, 7,1% pour des pâtes et papiers et 8,0% pour d’autres produits .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Revue bibliographique sur la corrosion des métaux et des alliages, plus particulièrement l’acier ; ainsi que les inhibiteurs de corrosion
Introduction
I-1. Généralités sur la corrosion
I-2. Lutte contre la corrosion
I-2.1. Protection par inhibiteurs de corrosion
I-2.2. Inhibiteurs de corrosion
I-2.3. Classement des inhibiteurs
I-2.3.1. Composition chimique de l’inhibiteur
I-2.3.2. Mécanismes d’action électrochimique
I-2.3.3. Mécanismes d’interface et principe d’action
I-2.4. Pouvoir protecteur des inhibiteurs de corrosion
I-2.5. Utilisation des inhibiteurs à l’échelle industrielle
Références
Chapitre II : Généralités sur les terres rares et l’inhibition par le cérium
II-1. Introduction sur les terres rares
II-2. Approche générale sur le cérium et les terres rares
Références
Chapitre III : Partie expérimentale
III.A. Matériels et méthodes expérimentales
III.A-1. Matériau utilisé
III.A-2. Préparation des échantillons
III.A-3. Milieu réactionnel
III.A-4. Techniques et caractérisations expérimentales
III.A-5. Précautions à prendre
III.B. Techniques expérimentales de caractérisation
III.B-1. Techniques électrochimiques
III.B-1-a. Techniques stationnaires
1- Suivi de potentiel en circuit ouvert (Chronopotentiométrie ou OCP)
2- Courbes de polarisation (méthode de Tafel)
3- Méthode de la résistance de polarisation (Stern et Geary)
4- Méthodes indicatrices à potentiel contrôlé
4-a. Vitesse de balayage
4-b. Vitesse d’agitation de la solution
5- Voltamétrie cyclique
III.B-1-b. Techniques non stationnaires (transitoires)
Spectroscopie d’impédance éléctrochimique (SIE)
III.B-2. Techniques de caractérisation de la surface
III.B-2-a. Caractérisation physico-chimique par spectroscopie
1- La diffraction des rayons X (DRX )
2- La spectrophotométrie de Raman
III.B-2-b. Analyse microscopique
1- Le microscope optique
2- La microscopie électronique à balayage (MEB)
Références
Chapitre IV : Etude de la corrosion de l’acier doux dans un milieu chloruré
IV-A. Etude préliminaire : Influence de différents paramètres sur la corrosion de l’acier
IV-A.1. Suivi du potentiel en circuit ouvert (OCP) de l’acier dans une solution NaCl à différentes concentrations
IV-A.2. Effet de la vitesse de balayage
IV-A.3. Effet de la vitesse d’agitation de la solution
IV-A.4. Effet de la concentration de NaCl
IV-A.5. Effet de la température de la solution
IV-A.6. Effet de l’immersion prolongée dans 0,1M NaCl
IV-B. Etude de l’inhibition de la corrosion de l’acier par le nitrate de cérium et le polyéthylène glycol (PEG)
IV-B.1. Effet de la concentration du nitrate de cérium
IV-B.2. Effet de la température de la solution NaCl en présence de nitrate de cérium
IV-B.3. Effet de l’ajout de PEG
IV-B.4. Etude de l’effet d’immersion prolongée sans et avec ajout de PEG
IV-C. Conclusion
Références
Chapitre V : Etude de la corrosion de l’acier doux dans un milieu sulfaté
V-A. Etude préliminaire : Influence de différents paramètres sur la corrosion de l’acier
V-A.1. Suivi du potentiel en circuit ouvert (OCP) de l’acier dans une solution Na2SO4 à différentes concentrations
V-A.2. Effet de la vitesse de balayage
V-A.3. Effet de la vitesse d’agitation de la solution
V-B.4. Effet de la concentration de Na2SO4
V-A.5. Effet du vieillissement de l’acier doux dans 0,1M Na2SO4
V-B. Etude de l’inhibition de la corrosion de l’acier par le nitrate de cérium et le Polyéthylène glycol (PEG)
V-B.1. Effet de la concentration du nitrate de cérium
V-B.2. Effet de la température de la solution Na2SO4 en présence de nitrate de cérium
IV-B.3. Effet de l’ajout de PEG
V-B.4. Etude de l’effet d’immersion prolongée sans et avec ajout de PEG
V.C. Conclusion
Références
Conclusion générale

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