2. Traitements de Surfaces

Traitements de Surfaces
• Les propriétés de surface sont devenues un élément clé de la
conception des produits. Les demandes concernent 4 domaines :
• le toucher des pièces : chaud/froid, texturé/lisse, dur/flexible, ...
• l'apparence : transparence, coloré, haute brillance/matité, ...
• la fonctionnalité : surface sensitive, surface informative,
individualisation des produits, ...
• la protection : résistance chimique, résistance à la rayure, antibuée, anti-salissure, antistatique, anti-contrefaçon, ...
• La variété des matériaux et des procédés offre un éventail de
possibilités, avec toutefois des tendances qui se dégagent pour des
productions plus efficaces, des process de traitement de surface ou
des solutions plus respectueuses de l'environnement.
Peinture
Constituants d’une peinture:
• Liants: ce sont des polymères
• Pigments et charges: ce sont des oxydes
colorés pulvérulents avec TiO2, silice ou
CaCO3
• Solvants: eau, white spirit, xylène alcool
• Additifs: agents mouillants, dispersants,
antimousse et rhéologiques.
Les liants
Ce sont des macromolécules naturelles: goudrons, caoutchouc,
coton… ou synthétiques: PVC, PE, polyesters, acrylates,
polystyrène..
Ils interviennent au niveau du séchage en créant un film
homogène et irréversible. Ils forment des liaisons physiques ou
chimiques avec les molécules du support: mouillabilité,
adhésion.
Réticulation. Durcisseurs.
Les solvants solubilisent les liants. La simple
évaporation du solvant donne un film homogène.
Laques à base d’acryliques dans des solvants .Vernis
nitrocellulosiques à séchage rapide pour
l’ameublement (alcools, esters) Résines naturelles
(gommes) solubles dans l’eau : gouache Encres
cellulosiques en phase solvant (alcools) etc…ou alors
réaction de l’oxygène de l’air sur les == voir résine
glycérophtalique.
Les additifs
Agents mouillants:
facilitent l’incorporation d’une
poudre dans la phase liquide par
abaissement de la tension
superficielle de celui-ci.
Agents dispersants: stabilisent
une dispersion de pigments ou de
charges en créant des forces
répulsives pour empêcher la
floculation.
Antimousse
Additifs rhéologiques
pour avoir la bonne viscosité, on ajoute des épaississants cellulosiques
ou acryliques, ou des polyuréthanes modifiés:
Hydrophobe
Hydrophile
Hydrophobe
Formulation d’une peinture.
Peinture extérieure bâtiment brillante aqueuse

Eau déminéralisée
Liant : dispersion aqueuse acrylique à 46 d’extrait sec pondéral ; pH = 7.58.5 ; viscosité Brookfield (spindle 3, 60 tr/mn) : 50-1500 mPa.s ; TMFF=12-16°C ;
densité sèche : d=1.13 kg / L
Pigment blanc : TiO2 ; densité : 4,05 ; prise d’huile : 18g / 100g de pigment
Pigment rouge : oxyde de fer synthétique -Fe2O3 ; densité : 5 ; prise d’huile
: 26 g / 100 g de pigment
Carbonate de calcium cristallin ; densité : 2,75 ; prise d’huile 13 g / 100 g de
pigment
Dispersant ; dosologie : 0.2 sur la masse totale
Texanol : agent de coalescence ; dosologie : 5 en masse sur le liant sec
Acrysol RM-2020 : épaississant (polyuréthane modifié) ; dosologie : 0.2 sur
la masse totale
Ammoniaque
Formulation d’une peinture
Rénovation des boiseries intérieures en cèdre
d’une maison individuelle.
Matières
Premières
Propriétés
massiques
Résine alkyde
ES = 60 dans le
xylène
Pigment coloré
Pigment blanc
Charge
Charge
?
42,2
?
0,2
antipeau
1
solvant
solvant
6,4
5,4
Oxyde de fer
Oxyde de zinc
Talc
Blanc fixe micro
Complexe de
calcium
Complexe de
cobalt
Diméthyl
cetoxime
White spirit
Xylène
TOTAL
12
11,3
12,3
6
0,2
100
CPV concentration pigmentaire volumique:
CPV= Vpulv/(Vpulv+Vliant)x100
CPV<30% peinture brillante, souple et imperméable
CPV>70% peinture mate, rigide et perméable.
λ=CPV/CPV critique, valeur pour laquelle la quantité de liant
n’est plus suffisante pour enrober les pulvérulents.
Type de peinture
λ typique
Brillante
Semi-brillante
Satinée
Coquille d’oeuf
Mate
0-0,4
0,4-0,5
0,5-0,7
0,7-0,8
0,8-1,4
Les traitements de surface
6 milliards d’euros de chiffre d’affaires
(hors peintures industrielles)
Secteurs concernés
Automobile
Electronique
Aérospatiale
Aéronautique
Orfevrerie
Bijouterie
Informatique
Mécanique
Alimentaire
Bâtiment
Définition des traitements de surfaces
Ensemble de traitements réalisés à la surface des pièces,
généralement de l’ordre de quelques µm, qui confère au
produit des propriétés en surface différentes de celles qui
existent dans la masse.
Répartition du chiffre d’affaires
Par fonction d’utilisation
Amélioration
des
caractéristiques
de glissement
8%
Soudabilité
3%
Anti-usure
24%
Conductibilité
électrique
8%
Divers : Propriétés optiques, isolation
électrique, thermique, aux rayonnements
Anti-corrosion
45%
Amélioration de
l'aspect
11%
Divers
1%
Par fonction d’utilisation
Décoration, frottement
Anticorrosion, usure
Anticorrosion, frottement
www.intermedapplication.com
Décoration
Photo Dassault Aviation F7X
Anticorrosion, frottement, tenue en fatigue
Conductivité
Répartition du chiffre d’affaires
Par région économique
 Les Traitements de Surface
en Franche-Comté
Quelques chiffres clés:

157 établissements, 1892 salariés, 4ème
région en CA
Les métiers:

Revêtements métalliques (voie sèche
voie humide), anodisation, vernis et
peintures, tribofinition et traitements
thermiques
Principaux secteurs d’activité:

Automobile, aéronautique,
luxe et finition soignée,
lunetterie, connectique
Etapes dans les traitements de surface
Schéma de principe d’une chaîne de traitement de surface par
voie humide
Dégraissage chimique
Dégraissage cathodique
Séquence
Préparation
Rinçages en cascade
Décapage chimique
Rinçages en cascade
Dégraissage anodique
Rinçages en cascade
Rinçage économique
Revêtement
Rinçage économique
Séquence
Electrodéposition
Rinçages en cascade
Finitions
Séquence
Finition
Rinçages / Séchage
Travaux pratiques (traitements par voie humide)
• participation au trophée UITS (fabrication d’un trophée
répondant à un cahier des charges sur un thème défini utilisant
divers traitements de surface)
Dossier technique
vidéo
Trophée 2012-2013
« Aéronautique et aérospatiale »
Prix de la technicité
Trophée 2011-2012
« Horlogerie bijouterie »
Prix de la technicité
Trophée 2009-2010
« Développement durable »
Prix de la créativité
Qu’est ce qu’un traitement de surface?
Modification de la surface d ’un matériau afin de lui conférer
une fonctionnalité particulière
Par apport de matière
Matériau
Revêtement métallique ou polymère
Qu’est ce qu’un traitement de surface?
Modification de la surface d ’un matériau afin de lui conférer
une fonctionnalité particulière
Sans « apport » de matière
-Conversion
Matériau
-Dissolution
-Traitement de diffusion
Qu’est ce qu’un traitement de surface?
– Revêtements métalliques
Traitementspar voie humide
(revêtements électrolytiques
ou « chimiques »)
chrome
Nickel
Acier
Traitements de surface par voie ignée
Traitements
par voie sèche
Zinc galvanisé
Torche Plasma :
Revêtement Acier faiblement allié
Qu’est ce qu’un traitement de surface?
– Conversions
Phosphatation trication(Zn/Mn/Ni)
 Revêtements minéraux ou mixtes
(émail,céramiques, cermets, …)
CVD : revêtement zircone
 Revêtements organiques (peintures, vernis, …)
 Traitements superficiels de diffusion,….
Les secteurs industriels concernés…
Revêtements métalliques
quelques exemples au quotidien…
Applications des revêtements d’or…
Bijouterie
Décoration
Electronique
Dentisterie
Monnaies et
Médailles
Répartition quantité d’or électrodéposé
(en tonne) par secteur d’activité
Electroformage
40%
Autres
60%
Vocations
Préparer
•préparations, phosphatation, ...
Mettre en forme
•dépôts épais, enlèvement de matière
Adapter l'interface
TECHNIQUE
FONCTIONS D'UN TRAITEMENT DE SURFACE
DECORATION
Traitements électrolytiques
•revêtements métalliques (Au, Ag, Cr, ...)
•brillantage (Al,...)
Traitements "chimiques"
•patines
ANTICORROSION
Traitements électrolytiques
•revêtements métalliques (Zn, Ni, ...)
•conversions (anodisation)
Traitements "chimiques"
•conversions (phosphatation, chromatation)
Procédés en TSVH
1- Traitement à l’attache
2- Traitement au tonneau
Anode
Panode en acier
Sac
Anode de zinc
Système cathodique
Charge en mouvement
Tonneau perforé
Cathode 3 D
Contact flexible
Electrolyse à l’attache
Procédés en TSVH
3- Traitement au tampon
4- Traitement au défilé
Electrolyse au tonneau
Chaîne de TSVH
Préparer une surface: Pourquoi?
Surface
industrielle
Matériau
Industriel
 Qualité d ’un TS  qualité de la surface - état de surface
Dysfonctionnements préparation = Revêtement défectueux
 Conditionner la surface afin de la rendre apte à recevoir le traitement ultérieur
 Préparation = étape «clef» dans procédé de fabrication
37
Dégraissage(s)
Vocation
Dégraisser = Rompre la liaison huile /oxyde métallique
Interface : hydrophobie => hydrophilie
Plusieurs formes de dégraissages : solvant, lessiviel, …
Choix
 efficacité
- nature du procédé et des réactifs
- nature du matériau traité et des salissures
respect des normes environnementales
coût
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Dégraissage solvant
Problèmes environnementaux =>restrictions solvants chlorés ou chlorofluorés
Alternatives
solvants « écologiques » (innocuité ?)
terpènes , hydrochlorofluorocarbones (HCFC)
Autres solvants
Fluides supercritiques (décapage?)
dégraissants aqueux ou lessiviels
 Choix = innocuité Environnement et Homme
39
SOLUTIONS ALTERNATIVES
DEGRAISSANTS AQUEUX
On utilise des tensioactifs (origine = savons) en présence
d’actions mécaniques pour minimiser l’adhésion
hydrophobe
(graisse)
salissures
salissures
substrat
substrat
Adhésion, exemple : hydrophobe / hydrophobe
Abaissement de l’énergie interfaciale
salissures
Les surfaces deviennent hydrophiles
substrat
40
5e mois de la technologie – 26 Mai 2005
SOLUTIONS ALTERNATIVES
DEGRAISSANTS AQUEUX
Tendance actuelle : préservation de l ’environnement
•produits « renouvelables » - biodégradables
•alcools gras sulfatés à base d ’huile végétale,…
•protéines animales, végétales
•produits concernés : tensioactifs, complexants, ….
Traitements des effluents
Attention à la DCO…
recyclage bains
Zéro rejets liquide (sur site!)
Pb lié au séchage des pièces
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Décapage(s)
Deuxième étape dans la séquence préparation
Vocation
•Eliminer la couche d ’oxydes (épaisse)
•Réactiver la surface (dépassivation)
Types de décapages :
•« Chimique » (acides minéraux, basique milieu oxydant)
•Électrolytique (milieu « neutre »)
•Mécanique - projection d ’abrasifs (décapage par impact)
Choix
• efficacité
- nature du procédé et des réactifs
- nature du matériau traité et de la couche
42
Rugosité
•Paramètres de rugosité
Ra, Rz, …
•Evolution de la rugosité avec le temps de décapage...
1 min
3 min
10 min
43
Décapage par impact
La projection des produits et abrasifs pour la préparation de surface peut être
assurée de 2 façons :
- par un vecteur gazeux :
il s’agit principalement de l’air comprimé auquel on aura éliminé toute trace de polluants
(huile, eau...)
- par un vecteur mécanique :
une roue munie de pales (turbine) entraînée par moteur électrique, transmet l’énergie
cinétique à un flux d’abrasif.
Les modes de projection les plus couramment utilisés sont au nombre de quatre :
- par air comprimé système à dépression (aspiration, succion, effet Giffard)
- par air comprimé système à pression directe (surpression)
- par air comprimé en procédé humide (à l’aide d’une pompe de gavage)
- par turbine (entraînée par moteur)
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Préparation d’un matériau avant peinture
Vocation
•constituer une base d’accrochage avant peinture
•Améliorer la résistance à la corrosion du matériau
Types de traitements retenus : conversions
•Passivation
•Phosphatation
A adapter en fonction de :
•la nature du revêtement traité
•de l ’objectif à atteindre
Partie 2- Séquence de préparation - LP
TSGE 2009-10 - M. DEPETRIS-WERY
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Phosphatation
Vocation
Favoriser l ’adhérence d ’une peinture
Faciliter la déformation à froid
Protéger la surface du matériau
Matériaux susceptibles d’être phosphatés :
Métaux ferreux
Aluminium et alliages
Zinc et alliages
Solution contenant des phosphates acides solubles
Formation d’une couche par précipitation de phosphates
insolubles
Principe de la phosphatation
Attaque du métal en contact avec la solution
Activation acide la surface (préphosphatation : phosphates de
titane) influant sur l ’adhésion de la couche
Consommation d ’acide libre
Réduction de la production d ’hydrogène (accélérateurs :
nitrates, nitrites, peroxyde d’hydrogène)
 Formation de la couche
Augmentation du pH
Réaction entre phosphate et cations métalliques (précipitation)
Exemples :
3 Zn++ + 2H2PO4- + 4 H2O  Zn3(PO4)2 .4 H2O + 4H+
2 Mn++ + Zn++ + 2H2PO4- + 4H2O  Mn2Zn(PO4)2.4 H2O + 4H+
Formation de boues
Oxydation ou précipitation des cations métalliques dissous par
les agents accélérateurs
Couche phosphatée sur aluminium
Additifs organiques
• Modifier la composition de l’alliage pour une codéposition.
• Modifier la structure et les propriétés réflectrices.
• Modifier les propriétés mécaniques (dureté, fragilité,…)
• Effet de synergie
AFFINEUR: égalisation des vitesses de croissance et taille plus petite
des cristaux. Gélatine.
BRILLANTEURS: cristaux orientés selon une direction prédominante,
revêtements fins et plans. Saccharine, 2 butyne-1,4 diol. Qques nm
NIVELANTS: remplissage des creux, moins de rugosité. Ques µm.
TENSIOACTIFS: diminution de la tension superficielle, aide à solubiliser
une substance organique dans une solution aqueuse, évitent
l’apparition des piqures et des bulles d’hydrogène.
Notions d’électrochimie
Conducteur électrique : corps dans lequel les électrons peuvent se
déplacer sous l’effet d’un champ électrique  électrode
Conducteur ionique : solution dans laquelle les ions peuvent se
déplacer sous l’effet d’un champ électrique  électrolyte
Système électrochimique simple : électrode immergée dans un
électrolyte
Interface : surface de contact entre 2 conducteurs
Electrode
Interface
Electrode
Chaîne ou cellule électrochimique :
association d’au moins 2 électrodes
au contact d’un électrolyte
Electrolyte
Réaction électrochimique : réaction mettant en jeu un transfert
d’électrons entre le métal de l’électrode et une espèce de l’électrolyte
Réaction d’oxydation : Red  Ox + neRéaction de réduction : Ox + ne-  Red
Ox/Red: couple oxydant/réducteur (accepteur/donneur d’e-): couple redox
Tension à l’abandon (tension sous courant nul): Ei=0: tension de
l’électrode lorsqu’aucun courant ne la traverse pas.
0,06
[𝑂𝑥]
Ei=0= Eth = E°Ox/Red + 𝑛 log [𝑅𝑒𝑑] (loi de Nernst) si solution idéale
Anode : électrode siège d’une oxydation à l’interface électrode / solution
(production d’électrons)
Red  Ox + neCathode : électrode siège d’une réduction à l’interface électrode solution
(consommation d’électrons)
Ox + ne-  Red
Polarisation d’électrode :  = E - Ei=0 (E : tension de l’électrode
lorsqu’elle est traversée par un courant
Si E < Eth : polarisation cathodique – Réduction
Si E > Eth : polarisation anodique - Oxydation
I
( 2)
Re d  
 Ox  ne 
ia
E(i=o)
0
Ea
Ec
E
ic
(1)
Ox  ne   
 Re d
f.e.m. : ddp aux bornes de la chaine lorsque celle-ci n’est parcourue par
aucun courant 
Ui=0 = Ei=0(+) - Ei=0 (-) >0
Les différentes étapes d’une réaction électrochimique
 Transfert de l’espèce Ox (ou Red) de la solution vers la surface de
l’électrode: transfert de matière
 Transfert de charges à la surface de l’électrode
 Réactions chimiques qui précèdent ou suivent le transfert électronique
 Réactions à la surface de l’électrode (adsorption, désorption…)
Composition des bains
• Ion métallique à réduire : sous forme de sels simples ou
complexes
• Sels conducteurs
• Tampons
• Additifs:
 Affineurs
 Brillanteurs
 Nivelants
 Mouillants
Paramètres d’électrolyse
• pH
• Température
• Agitation
• Densité de courant
• Nature du courant
• Nature des anodes
• Géométrie de la cellule
Dépôt de Nickel
• Electrolyse d’un sel de Nickel. L’anode
est soluble, donc présence constante
de Ni dans le bain.
• Contrôle du pH en dessous de 5
autrement: dégagement d’hydrogène.
• Sulfate: mat, 150 HV, pas de
contraintes.
• Chlorure: mat, 390 HV, fragile donc
sous couche.
• Sulfamate: brillant, 300 HV, pas de
contraintes.
Dépôt de Nickel
• Ni noir= couche décorative,
codéposition ZnS et NiS.
• Ni en ss couche pour la bijouterie,
attantion aux allergies.
• Agents mouillants: lauryle sulfate de
Na empêche hydrogène.
• Nivelant: coumarine, thiourée.
• Brillanteur: acide aromatique sulfoné.
Métaux nobles et précieux.
• Bain à base d’aurocyanure de K
• Une couche barrière est interposée
entre le métal commun et le métal
noble.
• Couche de métal noble qqes µm, puis
couche de mise en teinte 0,1µm.
• Co dépôt Au-Ag (100-200 HV), Au-CuCd (300-400 HV)
Autres traitements de
surface
•
•
•
•
•
•
Conversion chimique
Anodisation de l’aluminium
CVD
Projection thermique
Galvanisation à chaud
Procédés sol-gel