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DEFINITIONS TRAITEMENT DE SURFACES

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DEFINITIONS TRAITEMENT DE SURFACES . PLAN DE FORMATION T.S. Qu’est ce que le traitement de surface ? Généralités Les différents types de traitements de surface Présentation d’une usine de traitements de surface par voie humide Préparation de la surface

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Presentation Transcript
plan de formation t s
PLAN DE FORMATION T.S
  • Qu’est ce que le traitement de surface ?
    • Généralités
    • Les différents types de traitements de surface
    • Présentation d’une usine de traitements de surface par voie humide
  • Préparation de la surface
    • Qu’entend-on par préparation d’une surface ?
    • Le but de la préparation de surface
    • Quelles propriétés pour une application donnée ?
    • Le dégraissage
    • Le décapage
    • Dépassivation-activation
    • Le polissage
  • Les traitements de surface par voie humide.
qu est ce que les traitements de surface

Infrastructure

et construction

Industrie automobile

Aérononautisme

Tunning !

Modifier les propriétés des matériaux

Batiment

Bijouterie

Electrique, frottement, dureté

Microélectronique

Qu’est ce que les traitements de surface ?
  • Pour protéger ses biens, il lui a fallu constamment choisir entre :
  • - utiliser un matériau intrinsèquement résistant et souvent « noble »
  • recouvrir celui-ci par un revêtement ou un matériau plus résistant ( ex : la bijouterie )

Protection

Décoration

d finition

Science

des Matériaux

  • Métallurgie
  • polymères

- chimie des solutions

  • chimie organique
  • électrochimie

Génie

des procédés

  • transfert

de chaleur

Rejets : dépollution, législation

Définition
  • L’expression « Traitements de surface » sous-entend l’ensemble des traitements réalisés à la surface d’une pièce, généralement de l’ordre de quelques microns, qui confèrent au produits des propriétés de surface différentes de celles qui existent dans la masse.

Procédé

Substrat

fonctions d un traitement de surfaces

traitements électrolytiques

Revêtements métalliques

Dorure, chromage

Brillantage

  • Traitements chimiques
  • Préparer

Dégraissage

Décapage

  • Mettre en forme

Dépôts épais

Enlèvement de matière

adapter l’interface

  • traitements électrolytiques

Revêtements métalliques

Conversions (anodisation)

  • Traitements chimiques

Conversions (phosphatation)

Fonctions d’un Traitement de Surfaces

Décoration

Anticorrosion

aspects conomiques

Les deux principales fonctions du TTS, c’est lutter contre :

- corrosion

- l’usure,

correspondent dans le monde à un coût annuel de 120 milliards d’euros, dont 75 pour la seule corrosion

Aspects économiques

Rôle principale du TTS = maintenance préventive et curative des pièces

A ces deux fonctions essentielles, il faut rajouter un certain nombre d’autres:

- la conductivité électrique

- l’isolation électrique

- la conductibilité thermique

- la soudabilité

- l’isolation aux rayonnements

- la modifications des propriétés optiques

- l’amélioration des caractéristiques de glissement

- l’isolation thermique

aspects conomiques8
Aspects économiques

En France, le marché du TTS représente chaque année 900 000 tonnes de matériaux d’apport à des surfaces + 3 millions de tonnes de substrats traités.

À elles seules, les peintures industrielles représentent 25 % des matériaux d’apport.

Répartition du chiffre d’affaires suivant les propriétés recherchées

Autres :

0,75 % Modifications des propriétés optiques

0,45 % Isolation électrique

0,15 % Antioxydation à haute température

0,07% Isolation aux rayonnements

0,08 % Isolation thermique

aspects conomiques9
Aspects économiques

4 facteurs conditionnent l’évolution de la profession :

  • L’environnement et les contraintes : traitement des effluents aqueux et gazeux
  • l’amélioration des performances, liée à la qualité, à la qualification des entreprises, à la normalisation, à l’automatisation
  • les évolutions technologiques avec la mutation des matériaux métalliques et le développement des non-métalliques : polymères, composites et céramiques

- les techniques nouvelles le plus souvent liées au vide qu’il s’agisse de dépôts physiques en phase vapeur (pulvérisation cathodique et magnétrons) ou de plasma sous pression partielle et à l’utilisation des hautes énergies superficielles comme le faisceau laser ou le faisceau d’électrons.

les diff rents types de traitements de surface
Les différents types de traitements de surface

qLes traitements thermochimiques de diffusion : (le matériau d'apport diffuse dans le substrat)

Ø     diffusion des métaux (aluminisation, chromisation, implantation ionique) ;

Ø     diffusion des métalloïdes (cémentation, nitruration, carbonitruration, boruration).

qLes transformations structurales : (modification de la structure métallurgique du substrat).

fusion et trempe superficielle (induction et chalumeau, laser, bombardement électronique) ;

traitement mécanique (durcissement par choc : grenaillage de précontrainte ou martelage).

voie s che rev tements partir d une phase gazeuse
Voie sèche : Revêtements à partir d’une phase gazeuse

Dépôt par voie physique : PVD (Physical vapour deposition)

Dépôt par voie chimique : CVD (Chemical vapour deposition)

Principe : Revêtements élaborés en phase gazeuse  pulvérisation par bombardement ionique  transformation de la matière à déposer en phase vapeur. Puis les vapeurs sont ensuite condensées sur les surfaces qu’on veut revêtir.

PVD : les évaporateurs sont montés dans le four de dépôt

  • A solide chaud  A Gaz
  • A Gaz A solide froid
  • L’absence de réaction chimique a donné la désignation de déposition par voie physique
  • PVD est donc en générale un transport de la matière d’un corps chaud vers un corps froid .
  • Analogie dans la vie quotidienne : dépôt de givre sur une fenêtre

CVD : les évaporateurs sont montés à l’extérieur du four

  • Le procédé CVD comporte une ou plusieurs vapeurs et se résume par la formule suivante :
  • A Gaz + B Gaz + surface chaude  C solide + D Gaz + …
  • Les vapeurs réagissent entre elles sur une surface pour former un composé défini et des produits de réactions volatils.
  • Analogie dans la vie quotidienne : dépôt de suie dans la cheminée
voie s che projection thermique

Le principe général de la projection thermique :

  • la matière à déposer, sous forme de poudre, de fil, de cordon ou de baguette est fondue totalement ou partiellement dans une source de chaleur (flamme, arc électrique, plasma) .
  • un gaz vecteur permet une pulvérisation de la matière et le transport des gouttelettes ainsi formées jusqu'à la surface à revêtir.
Voie sèche : Projection thermique
  • Tous les secteurs d'activité sont aujourd'hui concernés par la projection thermique.
  • Si la protection anticorrosion reste le cas d'application le plus fréquent, certains secteurs comme l'automobile présentent des applications multiples (soupapes, segments de piston, disques d'embrayage, plaquettes de freins).
projection thermique
Projection thermique

Les pistolets de projection flamme-fil se composent de deux parties :

- une partie chalumeau dans laquelle le matériau d'apport est fondu et pulvérisé ;

- une partie entraînement de fil.

  • La vitesse des particules est d'environ 150 m.s-1
  • la distance entre buse et substrat est comprise entre 100 et 200 mm.
  • Les épaisseurs déposées = quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres.
  • Cette technique de projection permet de réaliser les grandes familles de dépôts suivantes :
  • - métaux : Zn, Al, Cu, Sn, Pb, Ni, Mo, aciers, aciers inoxydables - alliages de base Zn, Cu, Ni ou Sn ;
  • - céramiques sous forme de cordon ou de baguette : NiAl, NiCrBSi, Al2O3 , Cr2O3, ZrO2 - CaO.
voie humide la galvanisation chaud
Voie humide : La galvanisation à chaud
  • Le zinc est un des métaux les plus utilisés comme protection anticorrosion pour la galvanisation mais aussi pour les dépôts en phase vapeur.

. La galvanisation à chaud des alliages ferreux est une opération de revêtement par trempé dans un bain de zinc ou d'alliage de zinc en fusion à une température voisine de 460°C .

. Derrière le nom générique de galvanisation à chaud, une grande variété de produits de composition et de structure très différentes existent actuellement

  • soit à cause de la composition du bain (aluminium de 0,05 à 55 % , silicium, magnésium, etc.)
  • soit à cause du post-traitement.
  • Il y a donc des galvanisations à chaud et des produits galvanisés.
  • Un revêtement par galvanisation à chaud : recouvrement de l'acier par le zinc d’où une double protection
    • physico-chimique en raison de l'effet barrière isolant l'acier de l'atmosphère, cette barrière perdurant à cause de la formation de sels de zinc protecteurs
    • électrochimique due à l'effet de protection cathodique apporté par le zinc vis-à-vis du fer.
  • Le revêtement galvanisé n'est pas un simple dépôt de zinc à la surface de l'acier. Il se produit une réaction métallurgique de double diffusion entre le zinc et le fer qui conduit à la formation de couches d'alliages Fe-Zn, composés intermétalliques, liées à la fois aux caractéristiques des aciers à galvaniser mais aussi aux conditions opératoires.
voie humide les peintures
Voie humide : Les peintures

Les peintures = préparations liquides ou pulvérulentes qui, appliquées sur des surfaces, permettent de les protéger et/ou de les décorer.

Pour obtenir une efficacité maximale une préparation de surface doit être réalisée prendre en compte :

- la température du support, l'hygrométrie ambiante ;

- l'atmosphère dans laquelle est localisé l'objet à peindre ;

- le matériel et les conditions d'application.

les peintures
Les peintures

Les principaux constituants sont :

  • liant et/ou mélange de liants : partie non volatile du milieu ;
  • pigments : sous forme de fines particules;
  • matières de charges : substances en poudre, pratiquement insolubles dans les milieux de suspension, souvent blanches ou faiblement colorées, employées en raison de certaines de leurs propriétés chimiques ou physiques ;
  • solvant : constituant liquide ayant la propriété de dissoudre totalement le liant, même à forte concentration ;
  • diluant : liquide simple, volatil dans des conditions normales de séchage, incorporé en cours de fabrication ou ajouté au moment de l'emploi, pour obtenir les caractéristiques d'application requises sans entraîner de perturbations ;
  • additifs : substances souvent incorporées à faible dose dans les liants, vernis, peintures pour y développer certaines qualités propres à en améliorer soit les conditions de fabrication et/ou de conservation et/ou d'application, soit certaines propriétés spécifiques.
classification des peintures
Classification des peintures
  • Peintures en phase solvant = solutions polymériques qui, après durcissement, donnent une pellicule filmogène continue, adhérente et insoluble en présence des solvants usuels. Le durcissement ou séchage se définit comme le mécanisme physico-chimique qui permet le passage de l'état liquide à celui de solide. Le séchage chimique peut être obtenu par :

- réaction d'oxydopolymérisation : cas des peintures alkydes à séchage air ;

- réaction entre deux groupements chimiques spécifiques : cas des peintures époxydiques, polyuréthanes ;

  • Peintures en phase aqueuse : obtenues à partir de liants hydrodispersés et/ou hydrosolubles
  • Peintures réticulant sous rayonnement UV : préparations exemptes de solvant qui réticulent par ouverture des doubles liaisons présentes dans les prépolymères en présence de photo-initiateurs et/ou photosensibi-lisateurs.
  • Peintures en poudre : Les peintures en poudre, matériaux pulvérulents, sont commercialisées sous forme de poudres thermoplastiques ou de poudres thermodurcissables.
les peintures20
Les peintures
  • Mode manuel d’application

les séries de pièces sont trop réduites pour permettre l’amortissement des frais d’une installation ou lorsque les dimensions des pièces n’autorisent pas l’emploi de cuves

  • par immersion

L’immersion consiste en une série de cuves pour les différents bains et rinçages, dans lesquelles les pièces accrochées ou fixées sur des balancelles, suspendues à un palonnier ou positionnées dans des paniers, ou encore en vrac dans un tonneau rotatif complètement immergées.

  • par aspersion ou par jets

les pièces défilent en continu dans un tunnel pour être soumises aux différentes phases du traitement depuis le prédégraissage préliminaire jusqu’au rinçage final. Après passage à l’air libre, les pièces subissent un séchage final dans une enceinte d’air chaud pulsé. La température de l’air est comprise entre 80 et 150°C)

voie humide le proc d s sol gel
Voie humide : Le procédés sol-gel

Le premier « brevet » sol-gel a été déposé en 1939 en Allemagne par Schott Glaswerke pour la réalisation de rétroviseurs.

D’autres produits ont suivi tels que les revêtements antireflets, les revêtements réfléchissants, etc…

Les principales applications des revêtements sol-gel ont pour but de modifier les propriétés optiques des vitrages. Ils peuvent aussi servir pour l’électronique, ainsi que pour la protection contre la corrosion.

Formation du sol-gel :

Cette technique consiste tout d'abord en la mise au point d'une solution stable (sol) à partir de précurseurs chimiques en solution  l'étape de gélification par suite d'interactions entre les espèces en solution et le solvant, pour donner naissance à un réseau solide tridimensionnel expansé au travers du milieu liquide. Le système est alors dans l'état gel.

Ces gels dits humides sont ensuite transformés en matière sèche amorphe par évacuation des solvants par simple évaporation sous pression atmosphérique (xérogel)

le proc d s sol gel
Le procédés sol-gel

Principe :

Le procédé sol-gel se fait en deux étapes :hydrolyse puis polycondensation.

Les précurseurs moléculaires utilisés sont des alcoxydes M(OR)z où M est un métal, z sa valence et R un groupement alkyl, dans notre étude M=Si).

* L’hydrolyse est une une substitution nucléophile d’un ligand OH à un ligand OR. On crée la fonctionnalité du précurseur vis à vis de la polycondensation.

SiR’z(OR)4-z + H2O  SiR’z(OR)3-z(OH) + ROH

* La polycondensation :

Si-OH + RO-Si  Si-O-Si + ROH

Puis sèchage : évaporation du solvant

  • Pour durcir le film sol-gel et augmenter le nombre de liaisons déjà présentes, on ajoute un agent de réticulation qui permet de former des liaisons supplémentaires entre l’oxygène et le silicium. (Réticulants = les zirconates, les silicates, les titanates)
  • Il existe plusieurs méthodes pour l’application des revêtements sol-gel :
  • par trempage (ou dip-coating) où le substrat est plongé dans une solution, puis retiré à vitesse constante,
  • par centrifugation (ou spin-coating) où la solution est déposée au centre du substrat puis s’étale par la force centrifuge,
  • par pulvérisation, par ménisque…
phases d un traitement de galvanoplastie

Finition et Sèchage

Polissage

Rinçage

Rinçage

Rinçage

Rinçage

Dégraissage chimique et ou électrolytique

Décapage

Dépôts

Phases d’un traitement de galvanoplastie

L’élaboration d’un revêtement peut se schématiser en effet selon les quatre stades suivants :

phases d un traitement de galvanoplastie25
Phases d’un traitement de galvanoplastie

STADE A : Métal de base

On s’intéresse dans un premier temps au métal de base dont les caractéristiques de ce dernier sont fondamentales et sont relatives à :

a) sa composition. La gamme de préparation peut évoluer de manière très différente.

b) Un traitement thermique dont la qualité influe sur le résultat final (contrôle de l’atmosphère protectrice et des atmosphères de traitement)

c) Des traitements thermochimiques de diffusion comme la cémentation, la nitruration, la carbonitruration, … qui conditionnent le pouvoir couvrant et l’adhérence.

STADE B : Préparation

Pour obtenir une surface à rugosité adaptée et contrôlée, on utilise

soit 1 polissage par voie mécanique (sablage, usinage et polissage, grenaillage, …), soit par voie électrolytique.

On procède ensuite à la protection des partie à ne pas traiter (par cires ou vernis, par caches métalliques ou plastiques)

phases d un traitement de galvanoplastie26
Phases d’un traitement de galvanoplastie

STADE C : Traitement

Traitement = phase de dégraissage et décapage sans ou sous courant

Le but = éliminer les graisses et les oxydes de surface par saponification et destruction de la couche d’oxyde. Puis mise au bain, la durée est fonction à la fois de l’épaisseur à déposer et des caractéristiques propres du métal support ou métal de base.

STADE D : Finition

On trouve en fonction des besoins les opérations suivantes :

- la finition sommaire : élimination des films de protection et nettoyage de la pièce

  • Opérations mécaniques, soit par simple polissage-calibrage, soit par usinage selon la nature du métal déposé.

- Traitements thermiques du type simple dégazage (150-200°C pendant 4-5 heures maximum) pour éviter la fragilisation par l’hydrogène occlus,

atelier de galvanoplastie
ATELIER DE GALVANOPLASTIE

Exemple type d’une ligne industrielle de traitement de surface (revêtement électrolytique)

atelier de galvanoplastie pr paration
Atelier de Galvanoplastie : Préparation

Dans la gamme de traitement, nous pouvons distinguer des opérations pour :

éliminer les éléments gênants

ajouter des éléments bénéfiques (dépôts et revêtement divers).

Ainsi défini, le groupe des préparations de surfaces est constitué : par les dégraissages,

par les décapages, par les polissages.

  • la préparation de surfaces est
        • - une finition
        • -une mise en condition de réception de la surface pour un revêtement.
  • La même opération peut donc avoir des objectifs différents et les critères de jugement de la quantité de la préparation seront différents.
  • Une surface propre que l’on peut tenter de définir comme débarrassée de toutes substances :
  • - inadhérentes qui peuvent être de nature identique ou différente au matériau
  • - occlues en surface ou incorporées composé du matériau ou non
atelier de galvanoplastie pr paration29
Atelier de Galvanoplastie : Préparation

Ces substances à éliminer peuvent être de plusieurs types :

- des particules métalliques comme des copeaux

- des particules métalloïdiques comme le graphite

- des sels alcalins, métalliques, …

- des oxydes ou hydroxydes comme la rouille

- des sulfures, phosphures, carbures

- des corps gras

- ou encore tout autre comme les colles, vernis, peintures, …

De cette diversité de matériaux à éliminer résulte la diversité des préparations de surface.

  • L’état de surface et l’origine de ces substances tient le plus souvent de l’historique métallurgique du matériau :
  • - élaboration (fonderie, …)
  • - déformation plastique (étirage, laminage, …)
  • - usinage (tournage, meulage, découpage, …)
  • - traitement thermique (recuit, trempe, …)
  • - stockage (corrosion, …)
  • - manipulations (traces de doigt, …)
atelier de galvanoplastie pr paration30
Atelier de Galvanoplastie : Préparation

On distingueclassiquement deux opérations : le dégraissage et le décapage.

Le dégraissage consiste à éliminer les pollutions superficielles d’origine organique dont l’hydrophobie pénalise les opérations ultérieures réalisées en phase aqueuse par exemple.

Le décapage procède à l’enlèvement :

- des oxydes superficiels formés lors de traitements thermiques et/ou mécaniques antérieurs ;

- ou des hydroxydes éventuellement engendrés au cours de la phase précédente.

la surface id ale
La surface idéale ?

La description d’un état fait intervenir des facteurs : Géométriques , Chimiques , Physiques ou structuraux

On agit sur :

- la rugosité pour les facteurs géométriques,

- la mouillabilité,

- sur la dureté,

- les contraintes superficielles pour les facteurs physiques,

- et la nature des composés superficiels pour les facteurs chimiques.

La définition de l’état de surface idéal = complexe car dépendante de plusieurs domaines de la physique.

slide32

La surface idéale ?

Propriété 1 : la réactivité et la résistance à la corrosion

  • la pérennité de l’objet manufacturé doit être assuré sa résistance à la corrosion.
  • Pour la plupart des matériaux celle-ci est insuffisante  traitement de surface où la préparation favorisera l’adhésion de la couche ou des éléments anticorrosion.

Les préparations modifient considérablement la réactivité du métal.

les solvants organiques donnent des surfaces non mouillables relativement inertes,

les solutions aqueuses trop concentrées révèlent les effets des hétérogénéités de composition chimique de la surface durant l’étape suivante de dépôt.

slide33

La surface idéale ?

Propriété 2 : une bonne base d’adhérence

Les forces de liaison peuvent être d’origine électrostatique, chimique ou mécanique.

- Les liaisons électrostatiques ont toutes en commun de s’affaiblir rapidement avec la distance, et d’être contrecarrées par l’interposition d’un corps diélectrique.

- Les liaisons chimiques, beaucoup plus fortes, nécessitent une mise en contact intime des corps ayant par ailleurs une affinité chimique.

- Les liaisons mécaniques (dites « joints à crochets »), par exemple créées lors de l’imprégnation d’une matrice poreuse

Propriété 3 : l’aspect

Pour les applications où l’aspect a de l’importance, il faut tenir compte de la transmission des états de surface : un revêtement ne peut pas toujours masquer les imperfections du métal de base

slide34

La surface idéale ?

Propriété 4 : enlèvement de matière

La couche superficielle de métal doit parfois êtredéplacée pour éliminer les contraintes superficielles ou encore une contamination.

Contrôle des états de surfaces

Il existe une différence entre les labo de RD et les entreprises

Dans l’atelier, le contrôle de la préparation de surface fait appel à des méthodes plus « rustiques ».

  • La qualité d’un nettoyage s’apprécie par :

- la mouillabilité de la surface,

- l’homogénéité de teinte d’un film de buée (de respiration par exemple),

- par l’absence de salissures entraînées par essuyage avec un chiffon.

La rugosité s’apprécie à l’œil ou par comparaison avec des étalons.

slide35

La surface idéale ?

Contrôle des états de surfaces

En labo :

  • Rugosimètre
  • brillance-mètre,
  • analyses chimiques diverses,
  • métallographie.
slide36

Le dégraissage

Le dégraissage se pratique :

- dans l’industriede transformation des métaux (après usinage ou déformation à froid ou à chaud, avant et après traitements thermiques, avant soudage...)

- dans un atelierde traitements de surface proprement dit (avant galvanisation, dépôts métalliques, émaillage, conversions chimiques ou électrolytiques)

  • d’autres applications plus marginales telles que le nettoyage avant réparation ou assemblage de pièces électroniques ou électrotechniques
  • Le sujet est complexe et très vaste : chaque application imposant des conditions particulières de traitement
  • Impossible de traiter le dégraissage dans son intégralité
  • Choix : Etape pour la préparation de l’interface métallique pour TTS voie humide
  • Quel dégraissage choisir ? Que fait-on durant le dégraissage ? Comment contrôler son efficacité ?
  • Définition générale du dégraissage :
  • « dégraissage = Traitement chimique ou électrolytique qui a pour rôle de rendre la surface physiquement propre afin d’assurer le bon déroulement des opérations ultérieures et par là même, de garantir la qualité du produit fini. »
slide37

Pourquoi ?

Car le dégraissage est une opération-clef dans le procédé de fabrication

  • Avant de subir un TS, un matériau métallique est généralement oxydé et couvert d’huiles ou de graisses.
  • le dégraissage a une double vocation :
  • assainir l’interface métallique en éliminant les pollutions superficielles
  • assurer la mouillabilité (à l’eau) de la surface et donc conférer au métal l’hydrophilie requise pour les TS ultérieurs.

Le dégraissage

Quel dégraissage ?

1. Sachant apprécier la nature exacte de l’interface métallique

cad connaître

l’histoire amont du matériau d’une part

les conditions aval du TS

2. Prenant en compte le coût du traitement, les contraintes environnementales

slide38

un dégraissage chimique

suivi ou non d’un traitement électrolytique, réalisés en milieu aqueux et destinés à détruire le résidu huileux de faible épaisseur.

Dégraissage : Nature des polluants de surface

Nature des polluants de surface

- une zone perturbée par divers phénomènes physiques (laminage…) ou chimiques (oxydation interne, …)

- une zone transformée, constituée par un mélange d’oxydes divers

  • une zone contaminée caractérisée par la présence de couches de molécules organiques ou d’autres composés issus de l’atmosphère ambiante (contamination organique).

La phase de dégraissage se subdivise en 2 grandes classes :

un pré-dégraissage aux solvants

qui contribue à éliminer l’essentiel des polluants organiques (à diminuer !)

slide39

Dégraissage solvents

Les solvants :

Avantages : Traite la majorité des matériaux métalliques (alliages ferreux et cuivreux) mais posent quelquefois des problèmes avec les alliages légers.

Ex : le trichloréthylène chaud se décomposer sous l’effet de la lumière ou par un chauffage prolongé (à 125°C). Il se forme alors de l’acide chlorhydrique qui peut conduire à la corrosion des pièces traitées.

 utiliser des solutions de trichloréthylène stabilisées par des additifs (généralement des amines ou des polyphénols) qui annihilent la décomposition.

Inconvénients : environnement

Sélectionner un solvant pour le dégraissage industriel, c’est choisir :

un produit ininflammable, possédant des propriétés dissolvantes importantes vis-à-vis des graisses

Un produit n’altérant pas le substrat

d’une grande stabilité chimique

d’un bas prix de revient

d’un recyclage facile mais surtout présentant des garanties quant à son innocuité vis-à-vis de l’homme et de son environnement.

Tenir compte de la facilité avec laquelle l’élimination de la couche adsorbée de solvant sur la surface métallique se fera au profit d’un composé minéral par exemple.

slide40

Dégraissage solvents

Après un dégraissage solvant

 mouillabilité faible de la surface métallique

 Problèmes pour Traitement de Surfaces après par voie humide

 difficile de trouver un solvant qui réponde à toutes les exigences

Pas de bon et de mauvais solvant  on parle de solvant approprié

 compromis entre efficacité et réglementation

solvants chlorés ont beaucoup été utilisés pour le dégraissage des métaux

ex : (1,1,1) trichloroéthane

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Dégraissage chimique

 Dégraissage chimique réalisé après pré-dégraissage solvant

 Dégraissage chimique permet le film huileux résiduel et confère un caractère hydrophile à la surface

 Encore plus que dans le cas du dégraissage solvant, le choix du milieu dépend de la nature des polluants organiques, de l’interface, …

  • Pas d’action de dissolution (différent du dégraissage solvant)
  • Deux mécanismes se distinguent :
    • la détergence : décoller les souillures graisseuses
    • la saponification : décomposition de la pellicule graisseuse
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Dégraissage chimique

Action des tensioactifs : Mécanisme de détergence

  • 4 groupes distincts : anioniques, cationiques, non ionique ou amphotères
  • Attention au pouvoir moussant élevé sous forte agitation
  • Les liquides possèdent des tensions superficielles très différentes
          • eau = 70 mN.m-1
          • eau-huile = EH

Ex : surface métallique souillée

par des gouttes huile et immergée

dans un liquide de nettoyage

Si ES grand  étalement de la goutte  angle petit

Si on souhaite une solvatation  agir sur le milieu  diminuer ES  ajout de tensioactifs

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Dégraissage chimique

La saponification :

  • Réaction en présence d’une base forte, exothermique
  • Equation bilan :

Produits : glycérine et un sel alcalin d’acide gras (savon), soluble dans l’eau

 Vieillissement du bain propice à un meilleur dégraissage  fabrication de savon

  • Attention à la corrosion de certains métaux en milieu alcalin
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Dégraissage chimique

  • Dans un bain de dégraissage, on trouve donc :

- Les composés alcalins : NaOH (pouvoir saponification + conductivité), autres composés alcalins (carbonate de Na, les silicates, …)

  • Les tensioactifs : Lauryl sulfate de sodium (SDDS), ….
  • Les chélatants ou sequestrants : polyphosphates (tripolyphosphate Na5P3O10

Tendent à éviter les problèmes de rinçage imputables à la qualité de l’eau

En Galvanoplastie , utilise l’eau dont il dispose donc pas forcément douce  Pb

L’eau contient des alcalino terreux (Ca et Mg) et forme avec savon des composés insolubles qui se déposent sur les surfaces. Eliminer ces alcalino terreux = rôle des chélatants

  • Les principales caractéristiques d’un dégraissant chimique :
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Dégraissage électrolytique

  • Formulation des bains sensiblement identique à ceux de dégraissage chimique
  • Généralement utilisé comme finition
  • Puissance de l’attaque dépend de la nature de la solution (pH, halogénures, …) et de l’intensité du courant
  • Conjugue effet de la polarisation + action détergente
  • Effet mécanique si placé hors domaine de stabilité
  • Cathode siège de réduction et anode oxydation

à l’anode : 2OH-1/2 O2 + + H2O

à la cathode : 2H2O  H2 + 2OH-

réaction globale H2O  H2 + 1/2 O2

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Effets des ultrasons

  • L’agitation est donc un paramètre important dans le dégraissage par immersion.
  • Son but est d’améliorer la qualité, l’homogénéisation et la rapidité de dégraissage
  • Mais dans de nombreux caset particulièrement lorsque les pièces à nettoyer sont de petites dimensions ou de profils compliqués, les résultats obtenus avec une agitation mécanique ou par bullage d’air sont insuffisants et difficilement reproductibles
  • L’utilisation des ultrasons permet de palier ce problème
  • US = ondes ultrasonores, dont la fréquence est supérieure à 15 kHz et plusieurs mégahertz
  • Les fréquences utilisées dans les cuves de nettoyage sont comprises entre 20 kHz et 100 kHz
  • les ultrasons engendrent des ondes harmoniques qui deviennent audibles lorsque l’équipement fonctionne
  • Phénomènes mécaniques, chimiques ou cavitation
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Cette opération occupe une grande place dans les TTS

  • Les Pb viennent souvent de la qualité de l’eau de rinçage
  • Ils ont une double vocation :

- débarrasser les pièces de leur pellicule d’entraînement du bain après immersion ;

- jouer le rôle de barrière antipollution entre deux opérations consécutives.

  • But : diluer la pellicule de solution restante sur le matériau dans les eaux de rinçage
  • cette pellicule dépend des caractéristiques de la solution (concentration, viscosité, température, tension superficielle, …)
  • rinçage souvent assisté d’une agitation mécanique ou par air comprimé
  • Objectif : Limiter les quantités d’eau utilisée

Dégraissage électrolytique : Rinçages

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Dégraissage électrolytique ; Rinçages

  • Plusieurs structures de rinçages sont exploitées en pratique :

- le rinçage statique = souvent un prérinçage (rinçage mort) : sert à retenir une partie de la pollution en provenance du bain de traitement

-      le rinçage simplecourant : inconvénient consomme d’eau et donc nécessite un débit d’eau élevé pour assurer un rapport de dilution satisfaisant (Q = R *q où q est le débit d’entraînement par les pièces et les montages, en L·h-1 , et Q le débit d’alimentation d’eau des rinçages) ;

-      le rinçage multiple en série (cascade) = la configuration la plus fréquemment rencontrée

L’arrivée d’eau se situe dans la dernière cuve de rinçage et traverse en cascade les différentes cuves de rinçages jusqu’à la première. L’eau brute circule donc à contre-courant du transfert des pièces rincées. Le débit d’eau est égal à Q=q*R1/n : où n est le nombre de cuves de rinçages

- le rinçage par aspersion : permet d’améliorer la qualité du rinçage grâce à l’effet hydromécanique

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Le décapage

  • En galvanoplastie, c’est la deuxième grande étape
  • après dégraissage et avant le traitement proprement dit
  • nécessité d’adapter le décapage à l’objectif fixé :
    • Préparation d’une surface oxydée avant revêtement ;
    • ou rénovation de matériaux revêtus.

Différents types de décapage :

      • Mécanique
      • Chimique
      • Electrolytique

Décapage mécanique:

  • Le plus souvent utilisation d’abrasif
  • Opération qui consiste à éliminer les oxydes principalement :
      • par frottements répétés des pièces en contact d’abrasifs maintenus dans ou sur un système approprié et animé d’un mouvement de rotation
      • Par arrachement grâce aux multiples impacts de petites particules abrasives, projetées avec une énergie cinétique suffisante.
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Le décapage

Décapage chimique :

  • But : éliminer les oxydes par dissolution ou éclatement de la couche sans que le métal sous-jacent ne soit affecté
  • On utilise le plus souvent le mode par immersion soit en milieu acide, soit en milieu alcalin, selon le métal à traiter, la nature des composés à enlever, les dimensions des pièces
  • Il est d’usage d’associer acide au mot décapage, bien que le décapage alcalin s’utilise fréquemment comme par exemple pour les alliages d’aluminium
  • Les oxydes passent normalement à leur degré de valence supérieur, ce qui provoque les fissurations dans la couche et une plus grande facilité de décollement lors des traitements ultérieurs
  • Composition des bains : Un acide ou une base prédomine généralement ; divers additifs sont associés afin de rendre le constituant principal plus efficace.
  • Si on prend l’exemple d’un bain acide, le décapage se traduit selon : Oxyde + acide  sel + eau
  • Il faut donc éviter la réaction : Métal + acide  sel + hydrogène
  • Le meilleur moyen d’empêcher cette dernière est d’annihiler la production de gaz grâce à des inhibiteurs de décapage encore appelés limiteurs, modérateurs…
  • les avantages sont les suivants : -    limitation de la perte de métal , -    réduction de la consommation d’acide , -    absence de fragilisation , -    production de surface moins rugueuse,
  • -    diminution du dégagement gazeux irritant
  • Exemple d’inhibiteurs organiques :
  • -    aldéhydes : le formaldéhyde est bien connu
  • -    composés sulfonés
  • -    composés nitrés : dérivés de la pyridine
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Le décapage

  • Les solutions de décapage sont souvent additionnées d’agents tensioactifs, stables dans les conditions de pH.
  • Les paramètres qui influent sur l’efficacité du décapage sont :

-   concentration : il existe des optimums variables selon les produits formés lors du décapage qui possèdent des solubilité limitées.

-   Température : elle augmente la vitesse de décapage et la solubilité des sels formés, mais elle favorise l’émission de vapeurs !

- Agitation : elle accélère en renouvelant la solution au niveau de la surface. Elle aide au départ des bulles de dihydrogène et au détachement des particules d’oxydes.

  • Il se pratique en solution acide ou alcaline.
    • à l’anode ou pôle (+), on utilise les effets dus à l’oxydation :
    • action mécanique due au dégagement d’oxygène qui favorise le décollement de la pellicule d’oxydes et des résidus
    • transformation des oxydes à un degré d’oxydation supérieur ; ce qui les rend plus solubles,
    • attaque ménagée du substrat éventuellement
    • absence de fragilisation due à l’hydrogène (pour les aciers)    
    • à la cathode ou pôle (-), on utilise les effets dus à la réduction :
    • action mécanique due au dégagement d’hydrogène qui favorise le décollement de la pellicule d’oxydes et des résidus
    • absence d’attaque du substrat et donc conservation de l’état de surface
    • dépôts éventuels de métaux à très forte surtension d’hydrogène (Sn, Pb,…)

Décapage électrochimique :

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Dépassivation - activation

  • But : éliminer ce qui peut subsister en surface
  • c’est en fait un décapage léger, voire un conditionnement du pH et de la composition de la pellicule liquide entraînée dans le bain de traitement en aval
  • Cette étape consiste à immerger les pièces, généralement juste avant le dépôt, dans un acide ou un mélange d’acides
  • Il est préférable d’utiliser un acide dont l’anion est identique à l’anion dominant dans le bain de dépôt afin d’éviter ou de minimiser le rinçage et de réaliser des économies d’eau
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Polissage

  • Cette opération s’intègre dans une gamme de traitement, en complément d’un décapage ou indépendamment, afin de conférer des qualités exceptionnelles aux dépôts ultérieurs, dont la brillance et l’adhérence.
  • Il consiste à former une surface plane et brillante.
  • Deux types d’opérations :

- « planage » par élimination des irrégularités d’une taille supérieure au micron

- « brillantage » par suppression des irrégularités de plus petites tailles par exemple du centième de micron.

  • Deux types de polissage :

- le polissage électrolytique

- le polissage chimique

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Le polissage électrolytique

  • Utilisation du courant
  • Les lignes de courant se concentrent aux endroits de faible résistance, c’est-à-dire aux pics et les dissolvent préférentiellement.
  • Ce mécanisme rend compte de l’égalisation de surfaces irrégulières ou macropolissage mais n’explique pas le micropolissage
  • Pour obtenir une surface brillante, il faut que l’attaque soit uniforme, ce qui conduit à la disparition des irrégularités.
  • Les épaisseurs enlevées sont de l’ordre de quelques dizaines de microns.
  • De A à B : il y a attaque du métal et dissolution
  • Dans le domaine compris entre E1 et E2, une instabilité apparaît liée à l’apparition et à l’évolution d’une couche visqueuse hautement concentrée en produits de dissolution.
  • De B à C, l’intensité diminue. Ce phénomène est comparable à une passivité.
  • De C à D, le polissage a lieu ; la densité de courant reste relativement constante et présente un palier ; c’est une densité de courant limite.
  • De D à E, un dégagement d’oxygène se forme et la surface est brillante et souvent « piquée ».
  • Les conditions les meilleures seront celles qui correspondent à un potentiel d’anode qui précède le point D.
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Le polissage chimique

  • Il permet de traiter les pièces pour lesquelles le polissage électrolytique est trop onéreux : il en est ainsi, par exemple, de petites pièces
  • Il existe de grandes similitudes entre le polissage chimique et le polissage électrolytique
  • Certains admettent que le mode chimique apparaît équivalent au mode électrolytique à de fortes densités de courant avec un dégagement gazeux intense
  • L’existence d’un film fin superficiel et de sa dissolution périodique donne une explication de la production de surfaces polies.
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Traitement de surfaces par voie humide ( TSVH)

On convient de classer les TSVH par rapport à trois fonctions :

  • vla fonction « anticorrosion»  Il s'agit principalement des revêtements protecteurs et des traitements de conversion, qui concernent l'automobile, le bâtiment, l'aéronautique.
  • vla fonction « technique », qui rassemble plusieurs formes de TSVH
  • - ceux que l'on pratique comme une méthode de préparation des surfaces (dégraissage, décapage, phosphatation...) avant traitements mécaniques (tréfilage, laminage à froid, frappe à froid...)
  • - ceux qui sont capables de conférer à l'interface des propriétés spécifiques (électriques, magnétiques, résistance à l'usure, à la cavitation, à l'abrasion, ou à l’adhérence...)
  • - ceux qui sont susceptibles de contribuer à la mise en forme, soit par dépôts épais (au-delà de 50 µm et jusqu'à plusieurs cm), soit par enlèvement de matière (usinages chimique ou électrolytique).
  • vla fonction « décorative » :  argenture, dorure, nickelage et le chromage, mais aussi le polissage et le brillantage chimique ou électrolytiques sont des exemples parmi les plus connus.
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Les paramètres du bain de galvanoplastie

  • Le degré d’agitation
  • La température
  • La densité de courant
  • La tension
  • La distance anode-cathode
  • La filtration du bain
  • Le rendement cathodique …

Il se compose de différentes espèces :

  • Les espèces électroactives qui participent à la réaction de transferts de charges à la cathode.

Ils sont ajoutés sous formes de sels solubles dans l’eau dissociables en ions métalliques. On trouve :

· Les électrolytes à réaction acide sont du type sels métalliques d’acides forts : sulfates, chlorures, fluoborates, sulfamates

· Les électrolytes à réaction alcaline sont du type sels de bases fortes : zincate, stannate.

· Les composés cyanures

  • Les espèces non électroactives dans lesquelles on distingue les anions « associés » aux cations électroréductibles, qui définissent le type de bain, et les anions que nous appellerons « étrangers » qui sont incorporés avec les sels conducteurs, tampons, …
  • Les agents d’addition que sont les sels conducteurs, les sels tampons, les additifs minéraux (citons comme exemple des sulfites dans les bains de dorage) et les additifs organiques.
  • Les impuretés qui peuvent être de nature cationique, anionique, organique, solide, …
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Les additifs organiques

Les additifs sont des substances qui sont additionnées en petites quantités dans des matériaux ou des bains d’électrolyse afin d’améliorer ou de modifier certaines propriétés du revêtement ou du matériau durant sa fabrication, son stockage, son transport ou ses applications.

  • Pour faciliter ce choix, une tentative de classification a été effectuée dans le cas d’élaboration de métaux par voie électrolytique. Les auteurs ont répertorié les différents additifs selon :
  • - leur nature chimique : composé organique ou minéral ;
  • - leur activité interfaciale : surfactant (anionique, cationique ou non ionique) et tensioactif ;
  • - la dimension des particules : solution moléculaire ou colloïdes ;
  • - leur mécanisme d’adsorption sur le substrat ;
  • leur effet sur le revêtement : agent brillanteur ou nivelant
  • La présence d’additifs, dans l’électrolyte, a pour effet de modifier parfois radicalement
    • les propriétés chimiques (comme la composition de l’alliage),
    • les propriétés physiques (comme les structures et les propriétés réflectrices, l’aptitude à recouvrir le substrat)
    • les propriétés mécaniques (comme la dureté, l’état de contrainte, la fragilité…) des revêtements
  • Ces changements affectent non seulement

- l’organisation collective des cristallites (texture, structure dendritique)

- l’organisation interne (microstructure) de chaque cristallite : taille, morphologie, défauts structuraux, inclusions, etc.

  • les additifs organiques peuvent avoir des effets significatifs sur le rendement de la réaction de réduction des espèces métalliques en influant sur le dégagement concurrentiel d’hydrogène et sur la résistance à la corrosion.
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Rôle des additifs organiques

  • Rôle d’affineur.

Agent affineur  lorsque les cristaux métalliques électrodéposés ont une taille plus petite que celle observée en l’absence de tout additif.

Ces substances de hautes masses moléculaires, s’adsorbent préférentiellement sur les sites actifs et ralentissent de ce fait leur développement ; elles égalisent ainsi les vitesses de croissance des cristaux et concourent à une structure plus fine et globalement plus régulière. Comme exemple d’additif de type « agent affineur », on peut citer la gélatine.

  • Rôle de brillanteur.

La brillance d’une surface métallique résulte du fait que la lumière incidente sur cette surface est fortement réfléchie dans une certaine direction, avec un angle de réflexion égal et opposé à l’angle d’incidence par rapport à la normale. La surface est d’autant plus brillante, c’est-à-dire proche d’un miroir idéal, qu’elle diffuse moins de lumière et qu’elle la réfléchit davantage suivant la loi optique de Descartes, c’est-à-dire de façon spéculaire. Une surface apparaît mate lorsque la lumière subit une réflexion diffuse. La brillance est le plus souvent appréciée visuellement, éventuellement par rapport à des étalons.

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Rôle des additifs organiques

Avec Additif 1

Sans addtif

Avec Additif 2

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Rôle des additifs organiques

  • Rôle de nivelant :

La nivelance représente l'aptitude pour un électrolyte à compenser les micro-inégalités du substrat. La nivelance est donc observée lorsque le dépôt métallique est d’épaisseur relativement importante dans les zones creuses du substrat métallique et d’épaisseur moindre au niveau des zones de relief du métal de base. Si le caractère brillant des revêtements a trait à la production de couches à surface réfléchissante et donc à l’échelle microscopique (< au µm), la nivelance concerne l’atténuation du relief initial de la surface à l’échelle macroscopique (> au µm). C’est en quelque sorte le pouvoir de répartition à l’échelle macroscopique. Il faut distinguer deux types de nivellement :

  • le nivellement géométrique : Si la répartition du courant est uniforme, il se produit un remplissage progressif des creux. Ce nivellement n’intéresse que de faibles rugosités et est fonction de la densité de courant.
  • le nivellement électrochimique : Il apparaît en présence d’additifs organiques. Il provient cette fois d’une répartition non uniforme du courant avec un courant plus fort dans les creux que sur les pics. Ce type de nivellement est plus rapide que le nivellement géométrique.
  • Rôle de Tensioactifs :

Ils sont encore appelés mouillants, surfactants... Les tensioactifs sont des molécules qui se distribuent aux interfaces et diminuent la tension superficielle, c'est-à-dire la force qui règne à la surface de séparation air-liquide, ou la tension interfaciale, c'est-à-dire la force qui règne à la surface de séparation de deux liquides ou d'un liquide et d'un solide. Il est ainsi possible de solubiliser une phase organique dans une solution aqueuse. Entre autres actions, ils permettent d'éviter la présence de bulles d'hydrogène à la surface des revêtements en cours de formation et d'empêcher ainsi l'apparition de piqûres qui nuisent à la qualité des revêtements.

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Les points particuliers aux dépôts

Certains points peuvent être étudiés :

  • Les impuretés :

- métalliques : qui peuvent s’électrodéposer

- solides en suspension incluses dans le dépôt d’où l’intérêt de filtrer les bains

  • Le nivellement : de gros cristaux ou dendrites peuvent apparaître sans additif dans le bain
  • La structure : l’édifice cristallin du dépôt est influencé pendant les 2-3 premiers microns par celui du métal support, ensuite la cristallisation spécifique du dépôt se développe
  • La fragilisation par l’hydrogène : l’hydrogène à l’état atomique est facilement adsorbé par les métaux de base ferreux.
  • La résistance à la corrosion
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Les principes du dépôt électrolytique

. Une réaction électrochimique comprend différentes étapes : le transport de masse et le transport de charge.