AISI 304 contre 316 contre 316L : quel acier inoxydable survit en mer ?

L'AISI 304, le 316 et le 316L paraissent identiques sur une balance neuve, mais après une saison d'embruns salés, de sang de poisson et de lavage quotidien, ils peuvent se comporter très différemment. La différence tient à un élément d'alliage, le molybdène, et à une limite d'impureté, le carbone. Cet article compare les trois nuances à partir de données publiées de composition et de résistance aux piqûres, explique comment les chlorures attaquent l'acier inoxydable et pourquoi le 316L compte pour les châssis soudés.

Composition : ce qui distingue le 304, le 316 et le 316L

La différence clé est le molybdène : le 316 et le 316L contiennent 2 à 3 % de Mo, tandis que le 304 n'en contient pas. Le 316L est la version à faible teneur en carbone du 316, avec un carbone limité à 0,03 %. Le tableau donne les limites basées sur l'ASTM compilées par l'International Molybdenum Association (IMOA, Practical Guidelines for the Fabrication of Austenitic Stainless Steels, tableau 1).

Nuance	UNS	EN	C max	Cr	Ni	Mo	N max	PREN
304	S30400	1.4301	0,07	17,5-19,5	8,0-10,5	-	0,10	18-20
304L	S30403	1.4307	0,03	17,5-19,5	8,0-12,0	-	0,10	18-21
316	S31600	1.4401	0,08	16,0-18,0	10,0-14,0	2,00-3,00	0,10	24-26
316L	S31603	1.4404	0,03	16,0-18,0	10,0-14,0	2,00-3,00	0,10	24-26
316L (variante Ni/Mo plus élevée)	-	1.4435	0,03	17,0-19,0	12,5-15,0	2,50-3,00	0,11	27-29

Toutes les valeurs sont en % massique ; le Mn est limité à 2,00 % max pour toutes les nuances. IMOA note que la composition chimique EN ne correspond pas exactement à la composition ASTM, donc vérifiez le certificat de coulée pour la norme réellement commandée.

PREN : un indice de résistance aux piqûres

L'indice PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) est un indice de résistance à la corrosion calculé à partir de la teneur en chrome, molybdène et azote de l'acier, plus le tungstène le cas échéant, et il classe les aciers inoxydables selon leur résistance à la corrosion localisée en milieu chloruré. Dans la version qu'IMOA utilise pour les nuances austénitiques, le chrome compte à sa valeur nominale, chaque pour cent de molybdène compte plus de trois fois plus lourd, et l'azote compte aussi fortement, bien qu'il ne soit présent qu'en petites quantités.

Chaque pour cent de molybdène ajoute un peu plus de trois points, si bien que les 2 à 3 % de Mo du 316 élèvent son PREN des 18-20 du 304 à 24-26 (nuances d'acier et PREN, IMOA). IMOA fixe trois limites à l'usage de cet indice :

• il décrit la résistance dans des conditions idéales et ne tient pas compte des phases intermétalliques, d'un mauvais traitement thermique, de l'état de surface ou du nettoyage après fabrication ;
• c'est un indicateur, pas une garantie : si une nuance échoue par piqûre dans un environnement donné, une nuance à PREN plus élevé est nécessaire, mais de combien reste incertain ;
• il ne doit pas être utilisé là où la corrosion généralisée, plutôt que la piqûre, est le mécanisme probable.

Le 316 et le 316L ont la même plage de PREN. Pour la résistance aux piqûres et aux interstices en mer, ils sont équivalents ; la différence entre eux réside dans la soudabilité.

Comment les chlorures attaquent l'acier inoxydable

L'acier inoxydable résiste à la corrosion grâce à un film passif très fin d'oxyde de chrome ; la piqûre et la corrosion par interstices débutent là où les chlorures rompent localement ce film (IMOA, section 6.2.1). Les facteurs qui favorisent l'attaque sont des niveaux élevés d'halogénures, en particulier de chlorure, des oxydants, une température plus élevée et des conditions acides. Sur un navire de pêche, ces quatre facteurs peuvent survenir : embruns d'eau de mer, dépôts de sel en évaporation, désinfectants chlorés et résidus chauds et acides.

La corrosion par interstices est la forme la plus dangereuse sur l'équipement. IMOA cite les raccords filetés, les joints à recouvrement, les joints toriques et d'étanchéité, les connecteurs, la saleté, la graisse, le ruban adhésif et les dépôts comme formateurs d'interstices courants. À l'intérieur d'un interstice, la solution devient plus riche en chlorure et son pH baisse, donc la corrosion se concentre à l'intérieur de l'interstice. La température critique d'interstice d'un alliage donné est toujours inférieure à sa température critique de piqûre, car la corrosion par interstices démarre plus facilement.

Les données de laboratoire remettent cela en perspective : le 316L a une température critique de piqûre ASTM G48 de 10 °C dans le chlorure ferrique et est décrit par IMOA comme non adapté aux tubes de condenseur à vapeur en eau de mer, un service que gèrent les nuances fortement alliées à 6 % de Mo. Le 316 est donc une nuance sensée pour les embruns, les éclaboussures et le lavage, pas un matériau immunisé contre l'eau de mer en toutes conditions.

Choisir une nuance selon l'environnement

Le European Hygienic Engineering and Design Group donne un seuil pratique (document EHEDG 8, 2e édition, 2004, section 4.3) :

Conditions d'utilisation	Recommandation EHEDG
pH d'environ 6,5-8, chlorures jusqu'à environ 50 mg/l, température jusqu'à environ 25 °C	AISI 304 ou 304L
Chlorures et température tous deux au-dessus d'environ le double de ces valeurs	Résistance accrue aux interstices et aux piqûres nécessaire : AISI 316, ou 316L pour la tuyauterie et les cuves soudées
Températures approchant 150 °C avec chlorure élevé et contrainte élevée	Même le 316 peut subir une fissuration par corrosion sous contrainte ; d'autres alliages peuvent être nécessaires

L'eau de mer, la saumure de cale à poisson et les embruns chargés de sel dépassent largement 50 mg/l de chlorure, c'est pourquoi l'équipement de pesage marin en position exposée est normalement construit en 316 ou 316L. Le 304 peut rester approprié pour des pièces conservées dans des zones sèches, lavées à l'eau douce, à l'écart des embruns. L'état de surface, la conception sans interstice et le nettoyage comptent autant que la nuance ; voir nettoyage et lavage des balances.

Soudage, sensibilisation et pourquoi le 316L existe

Dans les nuances austénitiques standard, des carbures de chrome peuvent précipiter aux joints de grains lorsque l'acier est maintenu dans la plage 425-900 °C, laissant des zones appauvries en chrome avec une résistance à la corrosion réduite. C'est la sensibilisation (IMOA, section 3.3). Pendant le soudage, la zone affectée thermiquement traverse cette plage, et une bande de métal sensibilisé peut se former de chaque côté de la soudure, connue sous le nom de corrosion intergranulaire de soudure (section 6.3.1).

IMOA donne trois moyens de la prévenir : utiliser une nuance L à faible teneur en carbone, utiliser une nuance stabilisée, ou effectuer une hypertrempe après soudage. Les nuances L contiennent généralement moins de 0,03 % de carbone et résistent à la sensibilisation lors d'un soudage de fabrication normal ; IMOA note qu'il faut environ une heure pour sensibiliser un type 304 à 0,042 % de carbone à sa température de sensibilisation la plus rapide, bien plus long qu'un cycle thermique de soudure typique (section 12.1.7.7). Les nuances L ne protègent pas contre une exposition prolongée en service dans la plage de sensibilisation, ce qui n'est pas une préoccupation pour les balances.

La qualité du soudage affecte la corrosion autant que la nuance :

• La teinte de chauffe et les défauts de soudure tels que la sous-coupe, les inclusions de laitier et les défauts d'arrêt-reprise sont des sites de piqûre typiques ; le décapage après soudage restaure la résistance à la corrosion.
• Une pénétration de joint incomplète laisse un interstice qui piège la saleté, réduit la résistance à la corrosion et est très difficile à assainir (section 12.1.7.1).
• La contamination par le fer provenant d'outils en acier au carbone, de poussière de meulage ou de zones de fabrication partagées provoque des taches de rouille sur les surfaces inoxydables ; IMOA recommande de séparer la fabrication de l'inox et de l'acier au carbone.

Métaux mixtes sur le pont

Lorsque l'acier inoxydable est connecté électriquement à des métaux moins nobles en eau de mer, le métal moins noble corrode plus vite. Dans la série galvanique en eau de mer publiée par le National Physical Laboratory britannique, les alliages d'aluminium, le zinc et l'acier au carbone sont plus électronégatifs que le 316 passif. Une petite surface de métal moins noble couplée à une grande surface inoxydable est le pire cas. Les choix de fixations et de montage sont traités dans prévenir la corrosion et prolonger la durée de vie de la balance.

L'approche de WPL

La série M2 et les balances plateformes M5 et M6 sont construites en AISI 316, et la balance scientifique M3 en 316L. Plus d'informations sur les matériaux, l'étanchéité et l'hygiène sur le portail hygiène et matériaux.