L’Élémentarium
Les aciers inoxydables sont des aciers alliés présentant une résistance élevée à la corrosion à chaud ou à froid dans de nombreux milieux. Cette résistance chimique est due à la présence de chrome (à des teneurs supérieures à 10,5 %), qui protège par passivation grâce à la formation d’oxyde Cr2O3 à la surface de l’alliage. La résistance à la corrosion atmosphérique est multipliée par cent par rapport aux aciers courants. Les aciers inoxydables les plus utilisés sont des aciers chrome-nickel.
Ce sont des aciers alliés présentant une résistance élevée à la corrosion à chaud ou à froid dans de nombreux milieux. Cette résistance chimique est due à la présence de chrome (à des teneurs supérieures à 10,5 %), qui protège par passivation grâce à la formation d’oxyde Cr2O3 à la surface de l’alliage. La résistance à la corrosion atmosphérique est multipliée par cent par rapport aux aciers courants.
Contenant de 12 à 27 % de Cr. Ils possèdent l’une ou l’autre des structures suivantes :
Martensitique : avec 12 à 18 % de Cr. Cette structure correspond à une sursaturation en carbone dans la structure fer alpha obtenue par trempe à partir de l’austénite (fer gamma). Ils allient une bonne résistance à la corrosion à des caractéristiques mécaniques élevées. Ils sont utilisés pour les instruments chirurgicaux, en coutellerie, etc…
Ferritique (de structure fer alpha) : avec une teneur élevée en chrome ou la présence d’éléments alphagènes (Zr, Ti, Nb), qui ne permettent pas la transformation, à chaud, en austénite et donc ne donnent pas de trempe martensitique. Les plus utilisés, en architecture, dans les ustensiles de cuisine, contiennent 17 % de Cr. Ils sont plus économiques que les aciers Cr-Ni de type 18-10 car le nickel compte pour plus de 40 % dans le coût de production des aciers inoxydables. Les aciers Cr-Ni contiennent aussi du molybdène dont les cours sont élevés.
Ils représentent 21 % de la production mondiale d’aciers inoxydables, en 2019.
La nuance de base contient 18 % de Cr et 10 % de Ni (nuance 18-10). Ils renferment peu de carbone : de 0,02 à 0,15 %. Les éléments le plus souvent ajoutés sont Mo et Mn. Ils possèdent une structure :
Austénitique : la structure fer gamma est conservée à la température ambiante. Ils ne prennent pas la trempe et sont amagnétiques. Ils allient une grande résistance à la corrosion à une bonne aptitude à la déformation facilitant la mise en forme. Ce sont les aciers inoxydables les plus utilisés, dans les industries chimiques, alimentaires, les couverts de table de qualité (car les couverts courants, dans les collectivités par exemple, sont en acier inoxydable ferritique).
Ils représentent 53 % de la production mondiale d’aciers inoxydables en 2019.
Pour faire face au coût élevé du nickel, dans des pays asiatiques tels que l’Inde et la Chine, des nuances d’acier ont été développées en remplaçant, en partie, le nickel par le manganèse, avec présence d’azote et parfois de cuivre. Les teneurs en chrome sont comprises entre 15 et 19 %, en manganèse de 4 à 16 %, en nickel de 1 à 7 %, en cuivre de 0 à 4 %, en azote jusqu’à 0,5 %.
Ils représentent 24 % de la production mondiale d’aciers inoxydables, en 2019.
Appelés Duplex, ils sont biphasés, 50 % alpha, 50 % gamma pour la nuance la plus répandue. Ils contiennent de 22 à 25 % de Cr et de 4 à 7 % de Ni. Ils sont surtout utilisés pour élaborer des aciers moulés.
Ni : pour des teneurs allant jusqu’à 9 %, il augmente le domaine de stabilité de la phase austénitique (c’est un élément gammagène) et améliore la résistance à la corrosion en milieu acide.
Mo : de 1 à 3 %, il renforce l’action de Cr.
C : forme, aux joints de grains, des carbures de chrome (Cr23C6), ce qui entraîne une déchromisation dans les zones proches des joints de grains et ainsi facilite la corrosion intergranulaire. On utilise soit de très basses teneurs en carbone (< 0,03 %), soit des ajouts de Ti et/ou Nb qui piègent le carbone.
La difficulté réside dans la nécessité d’atteindre une décarburation importante tout en évitant des pertes élevées de chrome par oxydation. Les équilibres d’oxydation de Cr et C sont déplacés dans le sens d’une oxydation préférentielle du carbone, en faisant le vide (procédé V.O.D : Vacuum Oxygen Decarburization), ou plus couramment, en diluant le CO formé par un gaz neutre (argon ou diazote dans le procédé A.O.D. : Argon-Oxygène-Décarburation).
Procédé A.O.D. : utilisé par 70 % des capacités mondiales de production.
Un mélange de ferrailles, de chutes d’acier inoxydable recyclées, de ferrochrome, de ferronickel et de divers éléments d’alliage est fondu vers 1700°C dans un four à arc électrique (plus rarement à induction), la teneur en carbone est alors de 1,5 à 2,5 %, puis coulé dans un convertisseur dans lequel est injecté du dioxygène dilué par de l’argon.
Le rapport initial oxygène-argon est de 3 parts de dioxygène pour 1 part d’argon. Au cours de la décarburation, la proportion d’oxygène diminue fortement. La réaction de décarburation étant fortement exothermique, l’ajout de ferrailles froides permet de maintenir la température vers 1700°C. Après la décarburation, l’ajout de ferrosilicium permet de réduire l’oxyde de chrome formé. Les fours utilisés ont des capacités qui peuvent atteindre 160 t. La fusion dure environ 1 h 30 et la décarburation de 1 h à 1 h 30.
Procédé V.O.D. : l’association entre convertisseur et affinage V.O.D. (Vacuum Oxygen Decarburization) qui permet d’atteindre de très faibles taux de carbone représente 18 % des capacités mondiales de production alors que le procédé V.O.D. employé seul en représente 7 %.
On estime que 60 % de la production provient d’acier recyclé (25 % d’aciers en fin de vie, soit un cycle long après usage, 35 % de chutes neuves de production, cycle très court correspondant à une refonte des chutes d’usines).
Lettre : X indique que l’acier est allié avec au moins 1 élément d’addition dépassant la teneur de 5 % en masse.
Nombre : indique la valeur multipliée par cent de la concentration en carbone exprimée en % en masse.
Lettres : précisent, par leur symbole chimique, les éléments d’addition majoritaires, rangés en teneur décroissante.
Nombres séparés par des traits d’union : donnent les concentrations des éléments d’alliages, classés dans l’ordre des symboles préalablement décrits, exprimées en % en masse s’ils sont supérieurs à 5 %.
Exemples avec, entre parenthèse, la norme américaine AISI (American Iron & Steel Institute) :
En 2019. Monde : 52,218 millions de t, Union européenne : 6,805 millions de t.
| Chine | 26 706 | Indonésie, en 2018 | 2 195 | |
| Inde | 3 740 | Italie | 1 441 | |
| Japon | 3 283 | Taipei chinois | 997 | |
| États-Unis | 2 808 | Espagne | 898 | |
| Corée du Sud, en 2018 | 2 407 | Afrique du Sud | 550 |
Source : ISSF
En 2019, les productions regroupées de Finlande, Suède et Royaume Uni sont de 2,145 millions de t, celles de Belgique et d’Autriche de 1,481 million de t.
A la fin du XXème siècle, la Chine ne produisait pratiquement pas d’aciers inoxydables, en 2005, elle produisait 12,9 % du total mondial, en 2019, 51 %. Entre 2005 et 2019, la part de l’Union européenne est passée de 34,8 % à 13 %.
La production d’aciers inoxydables représente environ 3 % de la production mondiale d’aciers.
Les produits plats représentent 81,7 % de la production, les produits longs, 8,3 %.
Les aciers inoxydables Cr-Ni (série 300) représentent, en 2019, 53 % de la production, les aciers au chrome (série 400), 21 %, les aciers Cr-Mn (série 200), 24 %.
En 2019, le commerce international a porté sur 19,301 millions de t d’aciers inoxydables et 5,941 millions de t de déchets d’aciers inoxydables.
Producteurs : capacités de production, en 2020, sur un total mondial de 58,8 millions de t/an.
| Tsingshan (Chine) | 10,6 | Outokumpu (Finlande) | 3,2 | |
| Tisco (Chine) | 4,5 | Guanxi Chengde (Chine) | 3,0 | |
| Posco (Corée du Sud) | 4,0 | Yusco (Taipei chinois) | 2,8 | |
| Acerinox (Espagne) | 3,3 | Aperam (Luxembourg) | 2,5 |
Sources : Outokumpu et rapports des sociétés
La production d’aciers inoxydables a été, en 2019, de 281 000 t.
Consommation : en 2018, la consommation mondiale a été de 43,2 millions de t à 45 % en Chine, 27 % en Asie hors Chine, 13 % en Europe de l’Ouest, 11 % en Amérique.
La consommation mondiale était de 2,3 millions de t, en 1960.
Secteurs d’utilisation : en 2019, dans le monde.
| Produits métalliques | 37,5 % | Véhicules à moteur | 8,5 % | |
| Ingénierie mécanique | 29,1 % | Équipements électriques | 7,7 % | |
| Construction | 12,2 % | Autres transports | 4,9 % |
Source : ISSF
En 2017, les biens de consommation et le secteur médical représentent 49 % de la consommation, la chimie, la pétrochimie et la production d’énergie, 16 %.
Utilisations diverses :
C’est la présence, à la surface de l’acier, d’une très mince couche passive d’oxyde de chrome (Cr2O3), de 2 à 5 nm d’épaisseur, qui assure la protection de l’acier inoxydable contre la corrosion.