Anodisation en pratique

ANODISATION
Définition
Propriété de la couche
Principe de l'anodisation
Colmatage
Mise en œuvre pratique du procédé
Installation du matériel
A
C
Fig.. 60 C
eau
Dégagement
d’oxygène
Courbes de l'intensité en fonction du temps et selon la nature de l'électrolyse. Le palier est atteint en
quelques secondes.
Dégagement
d’hydrogène
Courbe 1 : Électrolyte n'ayant sur la couche d'alumine aucune action dissolvante.
Fig. 60 A Électrolyse de l'eau.
Courbe 2 : Électrolyte ayant sur la couché d'alumine une action dissolvante.
A
C
eau distillée + acide
Dégagement
d’hydrogène
Fig. 60 D
Film anodique au début de sa formation dans un électrolyte ayant une action dissolvante sur
ce film - e < 14 angström / volt.
Fig. 60 B Anodisation de l'aluminium.
ANODISATION
1. DÉFINITION
Fig. 60 E
Stade successif de la progression du film anodique à partir d'un pore isolé.
L'anodisation est une opération qui, par le
moyen d'un processus électrolytique, substitue à
la couche d'oxyde (alumine) qui recouvre
naturellement l'aluminium, une couche d'oxyde
d'épaisseur plusieurs centaines de fois supérieure.
L'épaisseur de la couche d'oxyde naturelle est
de l'ordre de quelques centièmes de microns, la
couche obtenue par anodisation est couramment
de l'ordre de la dizaine de microns et peut, dans
des conditions particulières, atteindre plusieurs
centaines de microns.
PROPRIÉTÉ DE LA COUCHE
A. Propriétés physiques et
mécaniques
ANODISATION
Fig. 60 F
Coupe schématique d'un faisceau de cellules.
Fig. 60 F
Coupe schématique d'un faisceau de cellules
hexagonales.
L'oxyde obtenu par anodisation a des
propriétés très différentes du métal, c'est un autre
matériau.
Le tableau ci-après montre les différences de
caractéristiques physiques et mécaniques.
PROPRIÉTÉS
MÉTAL ALUMINIUM
99,5
ALUMINE
80
Face ext. du film 180
Milieu du film 1250
Base du film 1550
0,3 à 0,5 %
Dureté (essai Bierhaum) (1)
Allongement à la rupture
T° de fusion
Coefficient de dilatation
Résistivité
De 4 à 35 %
suivant traitement subi
658 °C
23.10-6
2,8.10-6 Ω cm2/cm
Module d'élasticité
6 700 kg/mm2
2 100°C
5.10-6
Couche de 50 µ sèche
4.1015 Ω cm2/cm
3 600 à 5 200 kg/mm2
(1) L'essai BIÉRHAUM fait appel à la mesure de la largeur de la rayure de la surface effectuée dans des conditions déterminées.
B. Propriétés chimiques
Elles sont celles de l'alumine et lorsque
le traitement est bien conduit, celles de
l'alumine monohydraté.
Les couches auront une grande valeur
protectrice pratiquement dans les milieux
dont le pH est compris entre 4 et 9.
L'inertie de la couche est plus grande
en milieu acide qu'en milieu basique.
De plus, les propriétés d'isolement
électriques peuvent protéger le métal
contre les couples de corrosion galvaniques.
PRINCIPE
DE L'ANODISATION
L'anodisation, appelée également oxydation anodique, est essentiellement
basée sur la propriété suivante :
L'aluminium et ses alliages, lorsqu'ils
sont placés à l'anode d'une cuve
d'électrolyse contenant un acide dilué,
réagissent avec l'oxygène anodique pour
former sur le métal une couche d'alumine
qui lui confère sa bonne résistance à
l'oxydation.
Si l'on effectue en courant continu
l'électrolyse de l'eau (fig. 60 A) rendue
au préalable conductrice du courant
électrique par addition d'une certaine
quantité d'acide sulfurique, lorsque l'on
utilise des électrodes en nickel, par
exemple, on constate lors du passage du
courant un dégagement gazeux sur
chacune des électrodes. L'anode est le
siège d'un dégagement d'oxygène alors
que la cathode est le siège d'un
dégagement d'hydrogène, suivant les
réactions :
H2O ---> H + + OH –
20 H - ---> H2O + 1/2 O2
Si l'on remplace l'anode (fig. 60 B) de
nickel par une plaque d'aluminium, on
n'observe plus le dégagement d'oxygène, alors que le dégagement d'hydrogène se poursuit à la cathode. C'est
donc qu'au lieu de se dégager librement
l'oxygène réagit avec l'aluminium. Cette
réaction donne naissance à de
l'alumine.
On
constate
d'ailleurs
l'apparition d'une couche d'oxyde à la
surface du métal.
L'alumine est un isolant électrique, par
conséquent, l'aluminium étant recouvert
d'une couche d'alumine devrait être
isolée et, de ce fait, le courant ne devrait
plus passer, interrompant à ce stade la
formation de la couche. C'est d'ailleurs
ce qui se produit avec certains électrolytes, tels que les acides borique,
tartrique, et leurs sels, le carbonate de
sodium, le phosphate disodique, etc. On
dit que ces électrolytes n'ont pas de
pouvoir redissolvant pour la couche
d'oxyde et qu'il se forme une couche «
barrière ». Ces procédés d'anodisation
sont utilisés dans les applications qui
font appel aux propriétés diélectriques
de la couche d'oxyde.
Pour en revenir aux électrolytes à
base d'acide sulfurique dilué, qui sont
de beaucoup les plus utilisés dans
l'industrie de l'anodisation, on constate
qu'après une baisse d'intensité, le
courant se stabilise et continue à
passer. D'où la conclusion que l'on peut
en tirer
Étant donné que l'alumine est un
isolant, la couche d'oxyde obtenue par
anodisation en solution sulfurique n'est
pas étanche, elle est poreuse. De ce
fait, l'oxygène naissant provenant des
anions OH - qui atteignent l'aluminium
en traversant la couche d'oxyde réagira
avec le métal pour l'oxyder. Par
conséquent,
la
couche
d'oxyde
s'élaborera à partir de la surface et vers
le cœur du métal, contrairement à ce qui
se
passe avec
un revêtement
électrolytique.
De plus, l'acide sulfurique dans lequel
baigne la couche d'alumine a sur elle
une action dissolvante, par voie purement chimique, ce qui donne naissance
à une structure poreuse, les pores permettant le passage du courant à travers
la couche au fur et à mesure de sa
formation. En conséquence, selon que
l'électrolyte utilisé dissout ou ne dissout
pas
la
couche,
le
processus
d'anodisation sera différent (fig. 60 C)
et le résultat obtenu n'aura pas les
mêmes applications. D'où la subdivision
en 2 grandes classes d'électrolytes.
Électrolytes sans action
dissolvante sur la couche
Ce sont notamment les acides borique,
tartrique, etc. Si on oxyde une pièce dans
une solution de ce type, on constate
après un appel de courant initial, une
chute rapide de l'intensité qui finalement
s'annule :
Il s'est formé une couche d'alumine
étanche, ou couche « barrière » qui
arrête le courant.
Cette couche « barrière » représente la
distance qu'un ion métallique peut
parcourir au travers de son propre oxyde
sous l'action d'un potentiel donné. Son
épaisseur est donc fonction de la tension
aux bornes de la cuve. Hass a montré
que pour l'aluminium cette épaisseur
était de 14 Angström par volt, c'est-à-dire
qu'il faudrait une tension de 700 V pour
obtenir une couche de 1 micron.
Il peut toutefois lors d'une opération de
ce type, substituer un courant résiduel.
Ce courant est dû à des lacunes dans la
couche barrière, causée par les
impuretés du métal.
Électrolytes à action
dissolvante sur l'alumine
Ce sont des produits à réactivité
moyenne (acides sulfurique, chromique,
oxalique) utilisés pour l'anodisation.
La théorie de la formation des couches
a été élaborée par Keller, Dès les
premiers instants de l'électrolyse, s'édifie
une couche barrière dont l'épaisseur tend
sans l'atteindre vers la limite de 14
angström par volt (de 10 à 12,6 suivant
les électrolyses). A cette valeur
apparaissent de très nombreux points
d'attaque du film, dus à une amorce de
dissolution par l'électrolyse. Ces points
seront les amorces des pores. Si l'on
examine ce qui se passe autour d'un de
ces points, on peut le considérer comme
une source de courant autour de laquelle
les lignes de courant se distribueront
radialement (fig. 60 D) ; par conséquent,
le front de progression de l'alumine sera
hémisphérique.
D'autre part, l'action dissolvante de
l'électrolyte s'exerce à la base du pore ;
il en résulte une augmentation de
l'intensité du courant, un échauffement
et une dissolution accrue alors que
l'alumine, creux dans sa partie centrale,
fermé à sa base par le pore (fig. 60 E).
Les cellules d'alumine seront donc
constituées par des cylindres tangents,
chacun étant tangent à 6 autres (fig. 60
F). Dans l'espace compris entre les
cylindres demeurent des piliers en
aluminium dont l'oxydation demandera
du courant provenant de trois pores. A la
limite, ces cylindres se transformeront
en prismes à base hexagonale jointifs et
percés de pores à section étoilée (fig. 60
G).
L'extrémité des prismes à l'interface
métal-oxyde est une forme de calotte
sphérique. Cette théorie a été confirmée
par des observations au microscope
électronique sur répliques.
COLMATAGE
Dans la presque totalité des cas,
l'anodisation industrielle est effectuée
dans des milieux dissolvants.
Par conséquent, ainsi que l'on vient
de le voir, la couche est poreuse. Pour
obtenir les propriétés protectrices que
l'on est en droit d'attendre de cette
couche, il importe de refermer ces
pores. Cette opération est appelée
« colmatage »
Principe du colmatage
Le colmatage est une hydratation de
l'alumine fermée au cours de l'anodisation.
La modification de la couche est
caractérisée par :
•
la transformation de l'alumine
anhydré en alumine mono-hydratée (AI2
O„ H20) dite alumine y (variété naturelle
de la Boehmite), corps très stable et qui
ne se déshydrate qu'à des températures
élevées (400 °C);
un gonflement qui renferme les
•
pores de la couche (voir fig. 60 E/A).
Les effets du colmatage sont les
suivants :
PROPRIÉTÉS
COUCHÉ NON COLMATÉE
COUCHE COLMATÉE
Pouvoir absorbant, inertie
chimique en milieu acide
Se colore, se dissout en
quelques minutes, ou quelques
heures dans les acides dilués
Refuse le colorant, supporte
des centaines d'heures
d'immersion, avec de très
faibles pertes de poids.
Stabilité à l'atmosphère
Peut donner lieu au " farinage "
Ne donne pas normalement
lieu au " farinage "
• La vitesse de dissolution est plus
faible que la vitesse d'oxydation
Vd < Vo.
Anodisation en milieu
acide sulfurique
L'élaboration d'une couche avec un
électrolyte possédant un pouvoir de
redissolution sera obtenue grâce à un
compromis entre la vitesse d'oxydation
du métal (Vo) et la vitesse de redissolution (Vd) de la couche due à l'action
chimique de l'électrolyte.
Trois cas sont susceptibles de se
présenter:
• La vitesse de dissolution est
supérieure à la vitesse d'oxydation
Vd > Vo.
C'est le cas du décapage électrolytique.
• La vitesse de dissolution est égale
à la vitesse d'oxydation Vd = Vo.
C'est le cas du polissage électrolytique.
PARAMÈTRE
Concentration de l'électrolyte
SO4H2
C'est le cas du polissage électrolytique.
• La vitesse de dissolution est plus
faible que la vitesse d'oxydation
Vd < Vo.
C'est le cas de l'anodisation.
Les principaux paramètres entrant en
ligne dans la pratique d'une anodisation
sont comme dans toute électrolyse
• la durée de l'opération ;
• la température du bain ;
• La densité du courant;
• la concentration de l'électrolyte.
Dans le cas de l'anodisation, ces
paramètres ont une influence plus ou
moins marquée sur les vitesses d'oxydation et de dissolution.
Ces influences sont résumées dans le
tableau ci-après :
VITESSE
D OXYDATION Vo
VITESSE
DE DISSOLUTION Vd
Croit jusqu'à un maximum de 250 g
par litre, (conductivité maximale).
Décroît au-delà.
Influence négligeable
Croit
Densité de courant
Vo proportionnelle à la densité de
courant
Influence indirecte due à des
échauffements locaux par effet Joule
Durée
Vo reste constante si la densité de
courant reste constante
Tend à croître avec la durée
Température du bain
Très grande influence.
Croit avec la température
pure : distillée ou déminéralisée par
passage sur résines échangeurs d'ions.
• Résistivité de l'eau au début : 150 000
ohms, cm2/cm/mn. Extrait sec inférieur à
15 mg/I. Les bains doivent être changés
lorsque la résistivité tombe à 20 000 ohms
et que l'extrait sec atteint 50 mg/I.
• Température : une température trop
basse ralentit l'hydratation. L'optimum se
situe au voisinage de l'ébullition (87/98°
C).
• pH : la valeur donnant le meilleur
résultat se situe entre 5,5 et 6,5. Il peut
être abaissé par de petites additions
d'acides borique, acétique ou chromique,
ou relevé par de faibles quantités de
soude ou de carbonate de sodium.
• Durée du colmatage : de l'ordre de 2
mn par micron d'épaisseur de la couche
d'oxyde, ce qui correspond sous densité à
1,5 A/dm2 à une durée sensiblement égale
à celle de l'anodisation.
Colmatage au bichromate
Il confère aux couches d'oxyde une
résistance particulièrement bonne aux
intempéries en atmosphère marine. Les
solutions contiennent de 5 à 100 g/I de
bichromate, les couches d'oxyde prennent
une couleur jaune-vert tilleul. C'est le
traitement de choix pour les pièces
destinées à résister au brouillard salin.
NOTA : Pour ceux qui voudront plus de
précisions sur l'anodisation, je vous
conseille le fascicule L'Anodisation de
l'aluminium et ses alliages de la Société
PECHINEY, édité par le centre technique
de l'aluminium : 87, boulevard de Grenelle,
75015 PARIS.
L'exposé ci-dessus est d'ailleurs tiré de
ce fascicule.
MISE EN OEUVRE
PRATIQUE DU PROCÉDÉ
On adoptera pour la concentration de
l'électrolyte une valeur la plus proche
possible de celle qui donne la conductivité
maximale,
mais
néanmoins
inférieure pour conserver une certaine
marge de sécurité : par exemple, 180 à
200 g/l S042
La température du bain sera la plus
basse possible. En général, on opère à
une température voisine de 200C.
• La densité de courant sera limitée
par les risques d'échauffements locaux.
La valeur la plus généralement adoptée
se situe aux alentours de 1,5 A/dm2.
• La durée de l'opération dépend de
l'épaisseur de la couche que l'on
cherche à obtenir.
Toutefois, il est déconseillé de dépasser des durées de douze à vingt-cinq
minutes. On opère en général, pendant
une à une heure quinze (10 à 20
microns) pour la protection.
• La tension aux bornes de la cuve
d'électrolyse est théoriquement régie par
la loi d'ohm, c'est-à-dire par l'intensité
(densité de courant) que l'on s'est fixée.
La tension d'anodisation pourra varier
suivant les alliages de 12,4 V à 21 V
pour des solutions à 180 g/l.
Colmatage
à l'eau bouillante
Il doit être effectué dans une eau très
après ce tour d'horizon sur l'anodisation, nous allons revenir à ce qui nous
préoccupe : le traitement de nos pièces.
Matériel nécessaire
•
Le bac d'une batterie usagée de
dimensions minimum : 230 x 155,
profondeur : 150.
• 1 plaque de plomb de 35 x 100,
épaisseur : 2 à 3 mm.
• 2 litres minimum de solution d'acide
sulfurique à 32° Baumé pour
batterie.
• 4 litres d'eau distillée ou déminéralisée.
•
•
1 chargeur de 12 V par 8 A.
1 contrôleur universel ou un ampèremètre de 0 à 10 A.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 batterie de 12 V de 40 à 60 AH
4 à 5 m de fil électrique souple
de 2,52 rouge et bleu.
1 pince crocodile et 1 cosse.
2 fiches banane.
2 à 3 morceaux de conducteur
aluminium de diamètre 6,5 mm,
soit du 352, longueur : 500 à 600
mm.
1 presse.
1 planche 200 x 500 x 20 mm.
1 montant de bois de 40 x 40 x
290 mm.
1 planchette de 300 x 40 x 12
mm.
Commentaire sur le matériel
Le bac de batterie :
Pour vider la batterie de son contenu,
procéder de la façon suivante :
•
1° Enlever les bouchons et vider
la batterie.
•
2° Chauffer la p artie supérieure au
chalumeau butane ou propane
pour faire fondre le brai.
•
3° Sortir les éléments en plomb.
•
4° Supprimer les cloisons avec un
marteau et un burin, mais en prenant
bien soin de ne pas fêler le bac. La
bakélite est fragile. Vous pouvez
employer comme bac, un aquarium ou un
bac plastique, peu importe d'ailleurs la
forme du bac. Plus la quantité
d'électrolyte sera grande, plus l'inertie
thermique sera importante et plus vous
pourrez traiter de grandes pièces.
Conducteur aluminium :
Ces morceaux de conducteur aluminium serviront d'anode. Vous pourrez
vous les procurer dans une chute de
câble aluminium de section 4 x 352 chez
un électricien ou à la casse. Il vous suffira
de couper la gaine et de sortir les 4 ou 3
conducteurs suivant le type de câble.
INSTALLATION DU
MATÉRIEL
Le matériel sera installé suivant la
figure 60 H.
•
Préparer le socle de bois en
pointant les éléments tel que représenté
à la figure 60 H.
•
2° Découper la plaque de plomb
suivant la figure 60 H. Percer le passage
du boulon.
•
3° Sertir une cosse sur un fil
souple noir ou bleu de 2,52 et la
boulonner sur la cathode en plomb.
•
4° Ramener l'autre extrémité à la
borne moins de la batterie.
•
5° Monter une pince crocodile sur
un 2e conducteur de 2,52. A l'autre
extrémité sera montée une fiche banane
branchée à la borne moins du contrôleur.
•
6° Monter une fiche banane sur
un 3e conducteur rouge de 2,52.
Raccorder la fiche à la borne plus du
contrôleur et l'autre extrémité à la borne
plus de la batterie.
•
7° Brancher le chargeur sur la
batterie.
•
8° Préparer une électrode en
aluminium suivant la pièce à traiter. Pour
la plaque d'embase 28 représentée dans
le bac, limer à 5 mm l'extrémité de
I'électrode et fileter à 5 mm.
Visser l'électrode dans l'orifice taraudé
n°7.
Pour chaque pièce, vous adapterez
l'électrode soit en la vissant dans la
pièce soit en Remmanchant serrée à la
main dans les orifices disponibles. Il
suffit d obtenir un contact intime entre
les 2 pièces. Dans le cas contraire,
l'électrode s'anodise et le courant ne
passe plus.
•
9° Plier l'autre extrémité de
l'électrode à la longueur voulue pour que
la pièce soit placée à environ 2 à 4 cm du
fond du bac en suspension sur le support
bois.
10° Verser par exemple les 2
•
litres de solution d'acide à batterie dans
le bac puis les 2 litres d'eau distillée. Si
l'eau de votre région est une eau
relativement douce, 3 à 5°/th, vous pou vez l'employer au lieu de l'eau distillée.
Le mélange sera toujours fait un
volume pour un volume, pour obtenir
une solution à environ 16° Baumé.
•
11 ° Poncer soigneusement la
pièce à traiter avec une toile émeri fine,
puis la dégraisser au trichloréthylène ou
à l'acétone (attention aux mains grasses,
bien se laver les mains auparavant).
•
12° Fixer la pièce sur
l'électrode, la descendre dans le bac et
raccorder la pince crocodile.
•
13° Brancher le chargeur, régler
le contrôleur sur la plage 5 A.
•
14° Descendre la cathode en
plomb dans la solution et régler
l'immersion
de
façon
à
obtenir
l'ampérage voulu, puis coincer le fil avec
la presse sur le support de bois. Ce
rhéostat peut vous sembler archaïque
mais il « marche ». L'ampérage sera
réglé à raison de 1,5 A/dm2 de surface
développée de pièce.
Pendant
cette
opération
d'anodisation, la température du bac ne
devra pas dépasser 22°C, sous peine
de détruire la couche d'alumine au fur et
à mesure de sa formation. T° idéale : 18
à 20°C.
La pièce la plus difficile à anodiser
est une plaque. Compte tenu de sa
surface, elle nécessite un ampérage de
10 A. Rester à 8 A en surveillant la
température du bac, démarrer avec un
bac froid 10°C, si possible. (Face avant
de boîtier par exemple)
Dans le cas de non-réussite, faites
comme moi par sécurité, peignez-la en
noir mat. Pour cette pièce employez un
ampèremètre de 0 à 10 A et arrêtez
l'opération à la température de 22°C.
La pièce restera environ cinquante à
soixante minutes dans le bac. Surveiller
l'ampérage durant l'opération et rectifier
si besoin est.
15° Les soixante minutes
•
d'anodisation écoulées, sortir la pièce du
bac, la rincer à l'eau et la plonger dans
l'eau bouillante distillée ou déminéralisée
(même remarque qu'en 10 pour la
dureté). Vous pouvez rassurer votre
cuisinière, cette opération n'abîme pas
les casseroles en inox, elle noircit
légèrement les casseroles en aluminium.
Laisser frémir à feu doux pendant une
heure. Sortir la pièce et la passer sous le
robinet pour la refroidir. Vous devez avoir
une pièce d'un beau gris satiné et une
surface dure.
Vous pourrez rajouter à l'eau de colmatage du bichromate à raison de 5 à
100 g/I, si vous voulez améliorer la tenue
à l'eau de mer. Pour ma part, je me suis
contenté de l'eau claire et les pièces ont
parfaitement résisté malgré quelques
paquets de mer.
Cette installation pourra vous servir
ultérieurement pour d'autres petites pièces d'accastillage.
Bac à anodiser perso