passivation parts

Qu'est-ce que la passivation et comment ça marche

La passivation est un processus vital dans de nombreuses industries pour protéger les métaux contre la corrosion. Cette méthode étendue de protection contre la corrosion consiste à former une couche protectrice d’oxyde sur la surface du métal pour le protéger des réactions chimiques dommageables. Essentiellement, la passivation rend le métal passif ou inerte. Par conséquent, la couche passive résultante peut constituer une barrière entre le métal réactif et son environnement. Il protège le métal sous-jacent de la dégradation oxydative et bloque toute corrosion ultérieure. 

Cet article couvrira tout ce que vous devez savoir sur la passivation. Nous explorerons ce que c'est, comment cela fonctionne, les techniques de passivation courantes, leurs avantages et leurs inconvénients, ses applications dans diverses industries, etc. Allons-y !

Qu’est-ce que la passivation ?

En chimie physique et en ingénierie, la passivation fait référence au revêtement d'un matériau pour le rendre « passif », ce qui signifie qu'il est moins susceptible d'être affecté ou corrodé par son environnement. La passivation implique la formation d'une couche de matériau de protection externe, qui peut être appliquée sous forme de microrevêtement, générée par une réaction chimique impliquant le matériau de base, ou laissée se développer par oxydation spontanée dans l'air. 

Du point de vue technique, la passivation est un processus qui consiste à appliquer une fine couche d'une substance protectrice, comme un oxyde métallique, pour constituer une barrière contre la corrosion. La couche mince, également appelée couche de passivation ou film de passivation, couvre la surface du matériau sans altérer le métal de base. La couche passive réduit la réactivité chimique du matériau, améliorant ainsi sa résistance à la corrosion et à la contamination. 

La passivation est principalement appliquée à l'acier inoxydable. L'acide nitrique ou l'acide citrique est utilisé dans le processus de passivation de l'acier inoxydable pour éliminer le fer libre à sa surface. Il en résulte une couche d'oxyde inerte et protectrice sur l'acier inoxydable, améliorant sa résistance à la rouille en raison de l'absence de fer réagissant avec l'atmosphère. Notez que le rapport chrome/fer dans l’acier inoxydable doit être supérieur à un lors de l’élimination du fer libre. Un niveau optimal de protection contre les attaques de corrosion peut être atteint avec un rapport de 1,5:1.

passivation operation

Quels matériaux peuvent être passivés ?

Plusieurs matériaux peuvent subir une passivation, processus qui augmente la résistance à la corrosion :

Acier inoxydable

Les aciers inoxydables possèdent une résistance à la corrosion mais ne sont pas entièrement à l’abri de la formation de rouille. Contrairement à l'acide nitrique, un acide passivant fréquemment utilisé pour passiver l'acier inoxydable, l'acide citrique est de plus en plus favorisé en raison de sa toxicité réduite, de sa biodégradabilité et de son danger de manipulation, ce qui facilite son élimination. 

aluminum passivation

Aluminium

Outre le placage, la peinture et d'autres revêtements barrières, la passivation des alliages d'aluminium est généralement réalisée via un revêtement de conversion au chromate ou une anodisation. En plus de l'aluminium, la conversion au chromate est fréquemment utilisée pour passiver les alliages d'étain, de zinc, de cadmium, de cuivre, d'argent et de magnésium.

Matériaux ferreux

Les matériaux ferreux, tels que l’acier, peuvent être protégés dans une certaine mesure en induisant une oxydation (communément appelée « rouille »), en transformant l’oxydation en métalophosphate à l’aide d’acide phosphorique et en ajoutant une protection supplémentaire par un revêtement de surface. 

Titane 

En anodisant le titane, une couche de passivation plus épaisse peut être générée. Comme de nombreux autres métaux, cette couche induit une interférence en couche mince qui confère un aspect coloré à la surface métallique. L'épaisseur de la couche de passivation influence directement la couleur générée.

Nickel

L'utilisation du nickel pour traiter le fluor élémentaire est possible grâce au développement d'une couche de passivation composée de fluorure de nickel. Ce fait convient aux applications impliquant le traitement de l’eau et des eaux usées.

Silicium

La passivation de surface dans la microélectronique et les cellules solaires photovoltaïques est généralement réalisée par oxydation thermique à 1 000 °C pour produire un revêtement de dioxyde de silicium. 

Pérovskite

La passivation est la technique la plus simple et la plus étudiée pour améliorer les cellules solaires à pérovskite. En plus d'augmenter l'efficacité de la conversion photoélectrique dans les cellules pérovskites, la passivation améliore la stabilité de device. 

Carbone

Dans la technologie des points quantiques de carbone (CQD), les CQD sont de minuscules nanoparticules de carbone (d’une taille inférieure à 10 nm) présentant une certaine passivation de surface.

Comment fonctionne la passivation ?

Comment fonctionne la passivation ? De manière générale, le processus de passivation est divisé en quatre étapes principales. Ici, nous prenons comme exemple la passivation de l’acier inoxydable. 

Étape 1 : Nettoyage des composants

Le processus de passivation commence par un nettoyage minutieux du composant en acier inoxydable, éliminant ainsi les huiles de surface, les produits chimiques ou les débris du processus d'usinage. Sauter cette étape particulière entraînera la présence de substances étrangères à la surface du métal, nuisant à l'efficacité de la passivation.

Étape 2 : Immersion dans un bain acide

Après le nettoyage, le composant est immergé dans un bain acide pour éliminer les particules de fer libres de sa surface. À cette étape du processus, trois méthodes sont couramment utilisées.

Bain d'acide nitrique

La méthode de passivation traditionnelle est l'acide nitrique, qui produit la redistribution moléculaire la plus efficace de la structure moléculaire de la surface du métal. Cependant, l’acide nitrique présente plusieurs inconvénients car il s’agit d’un produit chimique dangereux. En plus de nécessiter une manipulation spécialisée, cette substance entraîne des émissions dangereuses, présente des risques environnementaux et peut nécessiter une durée de traitement prolongée.

Acide nitrique avec bain de dichromate de sodium

L'ajout de bichromate de sodium à l'acide nitrique améliore ou accélère le processus de passivation dans certains alliages. Il s’agit d’une alternative moins populaire car le bichromate de sodium augmente les risques liés aux bains d’acide nitrique.

Bain d'acide citrique

L'acide citrique est une alternative plus sûre à la passivation de l'acide nitrique. L'acide citrique ne nécessite aucune manipulation particulière, n'émet aucun gaz dangereux et constitue une solution respectueuse de l'environnement. La passivation de l'acide citrique n'a pas gagné en popularité car ses composés présentaient un risque de développement organique et de moisissures. Pourtant, de nouveaux progrès ont surmonté ces problèmes, ce qui en fait une option rentable et respectueuse de l’environnement.

Les composants en acier inoxydable subissent une passivation en les plongeant dans un bain pendant environ 20 à 30 minutes à une température comprise entre la température ambiante et 65 °C (149 °F).

Étape 3 : Rinçage des composants

Suite à l'immersion dans le bain chimique, les composants sont rincés avec un solvant approprié pour éliminer toute solution acide résiduelle. De plus, tous les composés de fer libres résiduels sont éliminés au cours de ce processus.

Étape 4 : Oxydation pour former la couche passive

Après rinçage, les composants métalliques peuvent être exposés à des produits chimiques spécifiques qui induisent la formation d'un film d'oxyde métallique. Des produits chimiques tels que le ferricyanure de potassium, le sulfate de cuivre et le brouillard salin en font partie. De cette manière, on obtient une couche extérieure protectrice plus durable et plus fiable.

Techniques de passivation courantes

Certaines techniques de passivation souvent utilisées comprennent :

Méthode d'immersion :  La méthode d'immersion consiste à immerger les composants métalliques dans une solution de passivation, souvent constituée d'acide nitrique ou citrique, pendant une certaine durée et à une température appropriée pour éliminer les contaminants.

Galvanisation : La galvanisation est un processus dans lequel des pièces d'acier ou de fer sont immergées dans du zinc fondu pour éviter la corrosion. De plus, le zinc peut être serve comme anode sacrificielle si nécessaire.

Bleuissement : Le bleuissement est un type de revêtement de conversion sur acier. Il crée une fine couche de surface bleue qui contribue à minimiser l'éblouissement. Il doit cependant être entretenu régulièrement à l'aide d'une huile.

Quand utiliser le processus de passivation ?

La passivation est une méthode de traitement de surface simple et rapide. Il existe donc de nombreux cas d’utilisation. Voici quelques exemples de situations dans lesquelles la passivation est une solution viable et efficace :

Après les opérations d'usinage mécanique

La couche passive en surface peut être retirée après les opérations d'usinage. Les exemples incluent la coupe, le meulage et le polissage mécanique. Bien que la couche passive puisse s'auto-régénérer, les changements d'épaisseur de couche peuvent entraîner un début de corrosion dans la pièce. 

Avant d'utiliser des pièces en acier inoxydable

La passivation de l'acier inoxydable et d'autres métaux est souvent effectuée comme procédure finale avant de placer les produits dans service. Cela permet au matériau de se déplacer dans l'environnement service avec sa couche passive intacte. 

Après la soudure

Le soudage produit fréquemment une zone affectée par la chaleur. Cette zone affectée par la chaleur ajoute des contaminants et endommage la couche à haute teneur en chrome de la pièce. Cela diminue la teneur en chrome en surface. Un processus de passivation approprié peut restaurer la couche passive et la rendre résistante à l'oxydation.

Après contamination

La passivation est conseillée lorsque le système est exposé à des contaminants, notamment des chlorures et du fer. La contamination par le chlore peut causer des dommages importants car elle peut pénétrer dans la couche d'oxyde de chrome et corroder le métal de base.

Lorsque de nouveaux composants sont joints à d'anciens composants

Lorsqu'un nouveau tube est assemblé à un tube existant, il est généralement passivé au préalable service. Des soudures peuvent être utilisées pour joindre les deux tubes, ce qui pourrait provoquer de la corrosion. Dans ce cas, il est conseillé de passiver l'ensemble du système, de passiver l'ancien pendant le soudage, voire d'utiliser des connexions avec embouts.

En maintenance préventive

La passivation peut également être effectuée régulièrement à titre de maintenance préventive. Ce formulaire de maintenance permet d'éviter les pannes en traitant les problèmes alors qu'ils sont encore à leurs débuts. Cependant, les obstacles du processus, tels que le coût de la passivation, les temps d'arrêt du système et la perte de productivité du travail, peuvent empêcher sa bonne planification.

passivation of stainless steel

Les avantages et les inconvénients de la passivation

La passivation est une pratique pratique et préventive qui peut augmenter la durée de vie des pièces et des systèmes. Voici quelques avantages et inconvénients potentiels de la passivation :

Avantages :

Empêche la corrosion. La passivation forme une couche protectrice passive sur la surface d'un métal qui agit comme une barrière pour empêcher les réactions de corrosion. Cela contribue à améliorer la durabilité et la longévité du métal.

Améliore la résistance à l'usure. La couche passive améliore la dureté superficielle du métal, le rendant plus résistant à l'usure due au frottement et à l'abrasion. Cela peut prolonger la durée de vie des pièces métalliques.

Permet d'économiser de l'argent et de réduire les temps d'arrêt. Les pièces passivées réduisent le risque de pertes de production liées à la contamination et d'arrêts imprévus du système.

Réduit le risque de contamination du produit. Le processus élimine le fer chimiquement réactif et d’autres contaminants.

Permet une maintenance prolongée. Une passivation régulière réduit le besoin d'arrêts et de maintenance du système, ce qui entraîne des durées de fonctionnement plus longues.

Ne nécessite aucune source d'alimentation. La passivation est une réaction chimique spontanée et ne nécessite pas de source d'énergie externe pour maintenir la couche passive, comme certaines mesures anticorrosion actives (par exemple, protection cathodique). Cela le rend simple et rentable.

Désavantages: 

Être limité à certains métaux/alliages. Seuls les métaux qui forment spontanément des films d'oxyde passifs, comme l'acier inoxydable, l'aluminium et le titane, peuvent être passivés. D'autres métaux peuvent nécessiter des traitements anticorrosion différents.

Être enlevé par abrasion. La couche passive offre une protection mais peut s’user au fil du temps à cause du frottement ou de l’action abrasive. Le métal devra être re-passivé pour une protection continue.

Moins efficace dans certains environnements. Tout en offrant une bonne résistance à la corrosion, la passivation peut être moins efficace dans des environnements très acides ou alcalins qui peuvent dissoudre plus facilement le film passif.

Nécessite une préparation de surface. Les métaux nécessitent un nettoyage et une préparation de surface appropriés avant la passivation pour permettre la formation d’une couche passive, protectrice et cohérente. Cela peut prolonger légèrement le temps nécessaire pour terminer le processus de fabrication.

Protection temporaire. La passivation ralentit la corrosion mais ne l’arrête pas complètement dans la plupart des cas. Une nouvelle application périodique peut être nécessaire pour une protection continue.

Non Lisser le métal : La passivation ne lisse pas le métal. Ainsi, si cela est nécessaire pour le produit final, il faut y remédier avant le traitement.

Impact environnemental: Les processus de passivation impliquent souvent l'utilisation de produits chimiques qui peuvent nuire à l'environnement s'ils ne sont pas correctement gérés.

Équipement spécialisé : Le processus nécessite l’utilisation d’équipements spécialisés, qui peuvent être coûteux et difficiles à obtenir. Les produits chimiques dangereux attachés à l’équipement présentent également des risques possibles pour la sécurité. 

part of passivation

Facteurs affectant l'efficacité de la passivation

Voici quelques facteurs clés qui peuvent affecter l’efficacité de la passivation :

Propreté des surfaces – La surface métallique doit être exempte d'huile, de graisse, de saleté, d'oxydes, etc., pour que le film passif se forme correctement. Tout contaminant empêchera le film de se former correctement. Un bon nettoyage et une bonne préparation de la surface sont essentiels.

Agent passivant – Le choix de l'agent passivant, tel que l'acide nitrique ou l'acide citrique, et sa concentration peuvent avoir un impact sur le processus de passivation. Faites donc de votre mieux pour choisir un agent passivant approprié.

Composition de l'alliage – Les éléments d'alliage présents dans le métal influencent la formation et le caractère protecteur du film passif. Certains ajouts d'alliages, comme le chrome, favorisent la passivation, tandis que d'autres peuvent la gêner. La composition doit être optimisée pour la passivation.

Conditions environnementales – Des facteurs tels que la température, le pH et la présence d’ions corrosifs ont un impact sur la passivation. Chaque alliage présente des conditions optimales pour la formation de films passifs. Des températures extrêmes ou un pH en dehors des plages idéales peuvent empêcher la passivation.

Défauts de surface – Les rayures, les pores, les fissures ou les imperfections de la surface agissent comme des sites de corrosion. La passivation est moins efficace sur les surfaces présentant des défauts. Il faut veiller à ne pas endommager la surface.

Rupture du film – Les dommages causés au film passif par l'abrasion, l'usure, l'érosion, etc. décomposeront la couche protectrice et exposeront le métal nu. Le film doit rester intact pour que la passivation fonctionne.

Épaisseur du film – Un film passif plus épais offre une meilleure protection. Des facteurs tels que le temps de passivation, la température et la méthode influencent l'épaisseur du film. Une optimisation est nécessaire pour développer une barrière adéquate.

Entretien et repassion – Le film passif peut se détériorer avec le temps. Des procédures d'entretien appropriées et des traitements de re-passivation peuvent être nécessaires pour restaurer la couche protectrice.

Applications pratiques de la passivation

Une couche passive contrôlée améliore la résistance à la corrosion, les caractéristiques électriques, les propriétés optiques, la biocompatibilité et l'esthétique. Le choix du revêtement dépend du matériau du support et de l'application. Voici quelques applications pratiques de la passivation :

Métaux communs - Un revêtement passif comme le chrome ou le nickel sur une surface métallique peut la protéger de la corrosion. Ce revêtement est couramment appliqué sur l'acier inoxydable, l'aluminium, le zinc et d'autres métaux. matériaux pour les rendre plus durables, en particulier dans les environnements difficiles.

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Instruments chirurgicaux - Les instruments chirurgicaux nécessitent une résistance à la corrosion et une composition chimique à la fois extrêmement inerte et sûre pour une utilisation chirurgicale, deux propriétés qui dépassent les capacités de nombreux revêtements conventionnels.

Roulements à bille - Une grande précision est nécessaire pour les roulements à billes. Même une trace de rouille ou de nombreux revêtements conventionnels modifieraient les tolérances au point de compromettre la fonctionnalité. 

Attaches – Dans des conditions normales, les pièces assemblées par traitement de passivation restent insensibles à la corrosion. À l’inverse, lorsqu’elle est exposée à l’humidité, une fixation en acier inoxydable non passivée peut rapidement corroder une pièce en aluminium ou en acier doux.

Semi-conducteur Device – Une couche de passivation de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium aide à protéger les device semi-conducteurs comme les circuits intégrés de l'humidité, de la contamination et des dommages mécaniques. Cela contribue à améliorer leur fiabilité et leur durée de vie.

Cellules solaires – Les revêtements antireflet utilisés sur les cellules solaires agissent comme des films passifs pour augmenter l’absorption de la lumière et réduire la réflexion. Cela améliore l’efficacité des cellules solaires.

Implants médicaux – Les films passifs d’oxydes aident à prévenir la corrosion et le lessivage ionique des implants médicaux métalliques comme les stents, les prothèses orthopédiques, etc. Cela augmente la biocompatibilité. 

Emballages alimentaires - Les boîtes de conserve ont une couche passive d'oxyde d'étain pour empêcher le substrat de fer de se corroder au contact d'aliments acides. Cela contribue à augmenter la durée de conservation.

Capteurs – Les capteurs électroniques sensibles peuvent avoir un revêtement de passivation pour empêcher la corrosion ou les réactions catalytiques à la surface du capteur qui pourraient interférer avec les mesures.

Bijoux – Les revêtements transparents sur les bijoux créent une barrière passive contre le ternissement et la décoloration de l’argent, du cuivre et d’autres matériaux.

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Passivation ou anodisation : quelle est la différence ?

La passivation est un traitement chimique appliqué aux métaux comme l'acier inoxydable ou le titane pour augmenter la résistance à la corrosion. Il forme une fine couche d’oxyde transparente sur la surface qui empêche toute corrosion supplémentaire. La passivation se fait généralement en exposant le métal à une solution acide. L'acide oxyde la surface et la rend passive ou moins réactive. 

L'anodisation est un processus électrolytique utilisé sur des métaux comme l'aluminium. La pièce métallique est immergée dans une solution acide et un courant électrique la traverse. Cela crée une épaisse couche d’oxyde à la surface. L'anodisation peut créer des finitions colorées et offre une excellente résistance à la corrosion et à l'usure. La couche d'oxyde anodique est beaucoup plus épaisse que la couche de passivation.

Résumé

La passivation fait référence à un processus post-fabrication qui rend un matériau passif ou inerte face aux réactions chimiques susceptibles de modifier sa composition et éventuellement d'entraîner une défaillance. Dans l'industrie, le procédé de passivation est souvent utilisé pour augmenter la résistance d'une surface métallique à la corrosion ou à l'oxydation grâce à la formation d'un film protecteur.

Les applications des processus de passivation peuvent être trouvées dans les industries aérospatiale et médicale pour protéger les composants essentiels et prolonger la durée de vie des outils chirurgicaux. La passivation offre d'autres avantages au-delà de la prévention de la corrosion, tels qu'une durabilité, une biocompatibilité et des performances générales accrues.

Référence

Passivation (chimie) – De Wikipédia

FAQ

La passivation forme une très fine couche protectrice sur la surface métallique, tandis que le décapage enlève une très fine couche de la surface métallique. Les deux techniques incluent l’application d’acides, et le décapage peut être effectué sur des pièces préalablement corrodées avant de les passiver. 

Bien que la passivation ne soit pas nécessairement requise pour toutes les applications en acier inoxydable, elle est généralement conseillée pour l'acier inoxydable 316, en particulier lorsque l'acier peut être exposé à la corrosion.

Oui, la capacité d’auto-guérison de la couche passive permet de réparer des dommages mineurs. Les zones exposées se réoxyderont rapidement au contact de l’oxygène. Cependant, des dommages graves peuvent nécessiter une nouvelle passivation.

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