L'impact des embruns salés sur les aimants

Les aimants, composants essentiels de nombreuses applications industrielles et grand public, sont souvent exposés à des conditions environnementales extrêmes, notamment aux embruns salins. Ces derniers, caractérisés par une forte humidité et la présence d'ions corrosifs, représentent un défi majeur pour les performances et la durée de vie des aimants. Cet article explore l'impact des embruns salins sur les aimants, en s'intéressant aux mécanismes de corrosion, à l'influence sur les propriétés magnétiques, au rôle des revêtements protecteurs et aux méthodes d'essai utilisées pour évaluer les performances des aimants dans ces conditions. À travers une analyse approfondie des recherches et des pratiques industrielles existantes, cet article apporte un éclairage sur les défis et les solutions liés à l'utilisation des aimants en milieu salin.

1. Introduction

Les aimants, qu'ils soient permanents ou électromagnétiques, jouent un rôle essentiel dans de nombreux secteurs, notamment l'automobile, l'aérospatiale, les énergies renouvelables et l'électronique grand public. Leur capacité à générer et à maintenir des champs magnétiques leur permet d'assurer des fonctions indispensables telles que la production d'énergie, l'actionnement, la détection et le stockage de données. Cependant, les performances des aimants peuvent être fortement affectées par des facteurs environnementaux, les embruns salés étant parmi les plus néfastes. Fréquemment présents dans les zones côtières, les applications marines et les environnements industriels où le sel est utilisé pour le dégivrage ou les procédés chimiques, les aimants sont exposés à une forte humidité et à des ions de sel corrosifs, ce qui accélère leur dégradation et entraîne leur défaillance. Comprendre l'impact des embruns salés sur les aimants est crucial pour concevoir des systèmes magnétiques fiables et durables, capables de résister à des conditions extrêmes.

2. Mécanismes de corrosion en milieu de brouillard salin

2.1 Corrosion électrochimique

Le principal mécanisme de corrosion en milieu salin est la corrosion électrochimique. Lorsqu'un aimant est exposé à une solution saline, les ions conducteurs du sel facilitent la circulation des électrons entre les différentes régions de l'aimant, induisant des réactions d'oxydation et de réduction. Par exemple, dans le cas des aimants néodyme-fer-bore (NdFeB), largement utilisés pour leur forte intensité magnétique, la présence d'eau et d'ions de sel peut provoquer la réaction des phases riches en néodyme (Nd) aux joints de grains, formant ainsi de l'hydroxyde de néodyme (Nd(OH)₃). Cette réaction s'accompagne d'une augmentation de volume significative, générant des contraintes internes et conduisant finalement à la fissuration et à l'écaillage de la surface de l'aimant. Le processus de corrosion électrochimique est encore accéléré par la présence d'oxygène, qui agit comme agent oxydant, favorisant l'oxydation des atomes métalliques.

2.2 Corrosion par piqûres

La corrosion par piqûres est une autre forme courante de corrosion observée sur les aimants exposés aux embruns salins. Elle se produit lorsque des zones localisées de la surface de l'aimant deviennent anodiques par rapport aux zones environnantes, entraînant la formation de petites piqûres ou de trous. Ces piqûres peuvent pénétrer profondément dans l'aimant, compromettant son intégrité structurelle et ses propriétés magnétiques. La corrosion par piqûres est souvent amorcée par des défauts ou des inclusions dans le matériau de l'aimant ou son revêtement protecteur, qui constituent des sites de concentration pour les agents corrosifs.

2.3 Corrosion par piqûres

La corrosion par piqûres se produit dans les interstices ou crevasses étroites à la surface de l'aimant, notamment entre l'aimant et son support ou son boîtier. Dans ces espaces confinés, la concentration en ions de sel et en oxygène peut varier considérablement, créant des piles électrochimiques localisées qui favorisent la corrosion. La corrosion par piqûres peut s'avérer particulièrement problématique dans les assemblages magnétiques où des tolérances serrées sont requises, car elle peut entraîner le desserrage des composants et la défaillance du système magnétique.

3. Influence de l'environnement de brouillard salin sur les propriétés magnétiques

3.1 Réduction de la densité de flux magnétique

L'un des impacts les plus importants de la corrosion par brouillard salin sur les aimants est la réduction de l'induction magnétique (B). Lors de la corrosion de la surface de l'aimant, la formation de produits de corrosion, tels que des hydroxydes et des oxydes, crée une couche non magnétique qui fait obstacle au champ magnétique. Cet obstacle réduit la section efficace de l'aimant à travers laquelle le flux magnétique peut circuler, ce qui entraîne une diminution de B. Cette réduction de B peut être particulièrement marquée pour les aimants dotés de revêtements protecteurs minces ou exposés de façon prolongée à des brouillards salins.

3.2 Diminution de la coercivité

La coercivité (Hc), qui mesure la résistance d'un aimant à la démagnétisation, peut également être affectée par la corrosion par brouillard salin. Les dommages induits par la corrosion sur la microstructure de l'aimant, tels que la fissuration et la dégradation des joints de grains, peuvent perturber l'alignement des domaines magnétiques, facilitant ainsi la démagnétisation par des champs externes ou des contraintes mécaniques. Par conséquent, la coercivité de l'aimant diminue, réduisant sa capacité à conserver ses propriétés magnétiques dans des conditions défavorables.

3.3 Changements d'anisotropie magnétique

L'anisotropie magnétique, qui désigne la dépendance directionnelle des propriétés magnétiques d'un aimant, peut également être influencée par la corrosion par brouillard salin. La rugosité de surface induite par la corrosion et la formation de produits de corrosion peuvent altérer la distribution du champ magnétique au sein de l'aimant, entraînant des modifications de son comportement anisotrope. Ces modifications peuvent affecter les performances des systèmes magnétiques qui nécessitent un contrôle précis de l'orientation du champ magnétique, tels que les moteurs et les capteurs.

4. Rôle des revêtements protecteurs dans l'atténuation de la corrosion par brouillard salin

4.1 Revêtements protecteurs traditionnels

Pour protéger les aimants de la corrosion par brouillard salin, divers revêtements protecteurs ont été développés et appliqués. Les revêtements traditionnels comprennent le nickel-cuivre-nickel (Ni-Cu-Ni), le zinc (Zn) et la résine époxy. Ces revêtements constituent une barrière physique entre la surface de l'aimant et le milieu corrosif, empêchant le contact direct des ions de sel et de l'eau avec le matériau de l'aimant. Les revêtements Ni-Cu-Ni, en particulier, sont largement utilisés en raison de leur excellente résistance à la corrosion et de leurs propriétés d'adhérence. Cependant, les revêtements traditionnels présentent des limitations, notamment en cas d'exposition prolongée à des conditions de brouillard salin agressif. Avec le temps, ces revêtements peuvent se dégrader, entraînant la formation de piqûres, de fissures et un délaminage, ce qui compromet leur fonction protectrice.

4.2 Revêtements protecteurs avancés

Pour pallier les limitations des revêtements traditionnels, les chercheurs ont mis au point des revêtements protecteurs avancés offrant une résistance à la corrosion et une durabilité accrues. Parmi ceux-ci, on peut citer le revêtement auto-réparateur, capable de réparer les rayures mécaniques et de restaurer la fonctionnalité de surface de manière autonome. Dans le cadre d'une étude, des chercheurs ont développé un nouveau revêtement auto-réparateur pour aimants NdFeB qui a démontré une résistance exceptionnelle à la corrosion : aucune corrosion n'était détectable même après 136 jours d'immersion dans une solution saline à 3,5 % en poids. Ce revêtement présente également des propriétés antigivre, retardant la formation de glace et réduisant son adhérence à basse température, ce qui le rend adapté aux applications en environnements extrêmes.

Une autre technologie de revêtement avancée est le revêtement en parylene, qui offre une excellente protection contre la corrosion, l'humidité et les produits chimiques. Appliqué par dépôt en phase vapeur, ce revêtement forme une couche mince, uniforme et conforme qui adhère parfaitement à la surface de l'aimant. Il a été démontré que les revêtements en parylene assurent une protection anticorrosion durable des aimants, même dans des environnements très corrosifs. Cependant, ces revêtements peuvent s'avérer coûteux et réduire l'adhérence des étiquettes ou autres composants à la surface de l'aimant.

4.3 Épaisseur et performances du revêtement

L'épaisseur du revêtement protecteur est déterminante pour sa résistance à la corrosion et ses performances globales. Un revêtement plus épais offre généralement une meilleure protection contre la corrosion, car il constitue une barrière plus importante contre le milieu corrosif. Cependant, augmenter l'épaisseur du revêtement peut aussi présenter des inconvénients, tels qu'une augmentation des coûts, une diminution des performances magnétiques (due à l'introduction d'une couche non magnétique) et des problèmes potentiels d'adhérence et d'uniformité. Il est donc essentiel d'optimiser l'épaisseur du revêtement afin d'obtenir un équilibre entre protection contre la corrosion et performances magnétiques.

5. Méthodes d'essai pour évaluer les performances des aimants en environnement de brouillard salin

5.1 Test au brouillard salin (SST)

L'essai au brouillard salin, également appelé essai de corrosion par brouillard, est une méthode d'essai normalisée largement utilisée pour évaluer la résistance à la corrosion des matériaux, notamment des aimants, dans des environnements simulant le brouillard salin. Cet essai consiste à exposer les échantillons d'aimants à une pulvérisation continue ou intermittente d'une solution saline, généralement une solution de chlorure de sodium (NaCl) à 5 %, à température et humidité contrôlées. La durée de l'essai peut varier selon les exigences et les normes spécifiques, allant de quelques heures à plusieurs milliers d'heures. La performance de l'aimant est évaluée en fonction de l'aspect des produits de corrosion, tels que la rouille ou la corrosion blanche, et de l'étendue des dommages superficiels.

5.2 Essais de corrosion accélérée

Outre le test standard au brouillard salin, des tests de corrosion accélérée ont été mis au point pour simuler des conditions de corrosion plus sévères ou de longue durée en un temps réduit. Parmi ces tests figurent le test au brouillard salin à l'acide acétique (AASS) et le test au brouillard salin à l'acide acétique accéléré par le cuivre (CASS). Le test AASS consiste à ajouter de l'acide acétique à la solution saline pour en accroître l'agressivité, tandis que le test CASS accélère davantage la corrosion par l'ajout de chlorure de cuivre (CuCl₂) à la solution. Ces tests accélérés sont utiles pour évaluer rapidement la résistance à la corrosion des aimants et comparer les performances de différents revêtements ou matériaux protecteurs.

5.3 Surveillance de la corrosion in situ

Les techniques de surveillance de la corrosion in situ, telles que la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) et la polarisation potentiodynamique, fournissent des informations en temps réel sur le comportement à la corrosion des aimants en milieu salin. L'EIS mesure l'impédance électrique de l'interface aimant-électrolyte en fonction de la fréquence, permettant ainsi la détection des processus de corrosion et l'évaluation des performances du revêtement. La polarisation potentiodynamique consiste à appliquer un potentiel variable à l'aimant et à mesurer le courant résultant, fournissant des informations sur la vitesse de corrosion et les mécanismes électrochimiques impliqués. Ces techniques in situ sont précieuses pour comprendre la dynamique de corrosion des aimants et optimiser leur conception et leurs stratégies de protection.

6. Applications pratiques et études de cas

6.1 Applications marines

Les aimants sont largement utilisés dans les applications marines, notamment pour la propulsion des navires, les véhicules sous-marins et les éoliennes offshore, où ils sont exposés à des environnements marins agressifs, notamment aux embruns. Dans ces applications, la résistance à la corrosion des aimants est essentielle pour garantir des performances fiables et durables. Par exemple, dans les systèmes de propulsion des navires, les aimants NdFeB sont utilisés dans les moteurs à aimants permanents, qui offrent un rendement élevé et une conception compacte. Pour protéger ces aimants de la corrosion par embruns, des revêtements protecteurs avancés, tels que les revêtements auto-réparateurs ou les revêtements en parylene, sont appliqués. Il a été démontré que ces revêtements prolongent considérablement la durée de vie des aimants en milieu marin, réduisant ainsi les coûts de maintenance et améliorant la fiabilité du système.

6.2 Applications automobiles

Dans l'industrie automobile, les aimants sont utilisés dans divers composants, notamment les moteurs électriques, les capteurs et les actionneurs. Avec l'essor des véhicules électriques, la demande en aimants haute performance capables de résister à des conditions d'utilisation extrêmes, comme l'exposition aux embruns salins, est croissante. Par exemple, dans les moteurs de traction des véhicules électriques, les aimants NdFeB sont soumis à des températures élevées, à des vibrations et à la corrosion par les embruns salins utilisés pour le dégivrage. Pour relever ces défis, les constructeurs automobiles développent des aimants à résistance à la corrosion améliorée, grâce à des revêtements protecteurs avancés ou à des modifications d'alliage. Ces aimants ont démontré une durabilité et des performances accrues dans des applications automobiles réelles.

6.3 Applications aérospatiales

Les applications aérospatiales, telles que les moteurs d'avion, les systèmes de navigation et les composants de satellites, nécessitent des aimants à haute résistance à la corrosion en raison de leur exposition aux embruns salins et à d'autres conditions environnementales extrêmes en vol ou en orbite. Dans les moteurs d'avion, par exemple, les aimants sont utilisés dans divers capteurs et actionneurs essentiels au contrôle et à la surveillance du moteur. Afin de garantir la fiabilité de ces aimants, les fabricants aérospatiaux appliquent des procédures rigoureuses de test et de qualification de la corrosion, notamment des tests au brouillard salin et des tests de corrosion accélérée. De plus, des revêtements protecteurs et des matériaux de pointe, intrinsèquement résistants à la corrosion, sont utilisés pour protéger les aimants dans les applications aérospatiales.

7. Conclusion

L'environnement marin, caractérisé par des brouillards salins, représente un défi majeur pour les performances et la durée de vie des aimants, principalement en raison de mécanismes de corrosion électrochimique. Ces mécanismes entraînent la formation de produits de corrosion, une réduction des propriétés magnétiques et des dommages structurels. Pour atténuer ces effets, divers revêtements protecteurs, allant des revêtements traditionnels aux revêtements auto-réparateurs et aux revêtements à base de parylene, ont été développés et appliqués. Les méthodes d'essai, telles que les essais au brouillard salin, les essais de corrosion accélérée et les techniques de surveillance de la corrosion in situ, sont essentielles pour évaluer la résistance à la corrosion des aimants et optimiser leur conception et leurs stratégies de protection. Les applications pratiques dans les secteurs maritime, automobile et aérospatial démontrent l'importance des aimants résistants à la corrosion pour garantir des performances fiables et durables dans des environnements difficiles. Avec les progrès technologiques, les efforts de recherche et développement se concentrent sur l'amélioration de la résistance à la corrosion des aimants grâce à l'innovation des matériaux, des technologies de revêtement et des méthodes d'essai, permettant ainsi leur déploiement plus large dans des applications exigeantes.