ANODISATION

Définition Propriété de la couche Principe de l'anodisation Colmatage Mise en œuvre pratique du procédé Installation du matériel

ANODISATION

ANODISATION

1. DÉFINITION

L'anodisation est une opération qui, par le moyen d'un processus électrolytique, substitue àla couche d'oxyde (alumine) qui recouvre naturellement l'aluminium, une couche d'oxyde d'épaisseur plusieurs centaines de fois supé-rieure.

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

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.

Fig.. 60 C Courbes de l'intensité en fonction du temps et selo n la nature de l'électrolyse. Le palier est atteint en quelques secondes.

Courbe 1 : Électrolyte n'ayant sur la couche d'alum ine aucune action dissolvante.

Courbe 2 : Électrolyte ayant sur la couché d'alumin e une action dissolvante.

Fig. 60 D

Film anodique au début de sa formation dans un élec trolyte ayant une action dissolvante sur ce film - e < 14 angström / volt.

Fig. 60 E Stade successif de la progression du film anodique à partir d'un pore isolé.

Fig. 60 B Anodisation de l'aluminium .

Fig. 60 A Électrolyse de l'eau.

Fig. 60 F Coupe schématique d'un faisceau de cellules.

Fig. 60 F Coupe schématique d'un faisceau de cellules

hexagonales.

A C

eau

Dégagementd’hydrogène

Dégagementd’oxygène

A C

eau distillée + acide

Dégagementd’hydrogène

PROPRIÉTÉS MÉTAL ALUMINIUM 99,5

ALUMINE

Dureté (essai Bierhaum) (1) 80 Face ext. du film 180 Milieu du film 1250 Base du film 1550

Allongement à la rupture De 4 à 35 % suivant traitement subi

0,3 à 0,5 %

T° de fusion 658 °C 2 100°C Coefficient de dilatation 23.10-6 5.10-6 Résistivité 2,8.10-6 Ω cm2/cm Couche de 50 µ sèche

4.1015 Ω cm2/cm Module d'élasticité 6 700 kg/mm2 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 galva-niques.

PRINCIPE DE L'ANODISATION

L'anodisation, appelée également oxy-dation 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'oxy-gène, alors que le dégagement d'hydro-gène 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 électro-lytes, 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 pure-ment chimique, ce qui donne naissance à une structure poreuse, les pores per-mettant 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'anodisa-tion.

La modification de la couche est caractérisée par :

• la transformation de l'alumine anhydré en alumine mono-hydratée (AI2O„ 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 "

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 redissolu-tion (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.

• La vitesse de dissolution est plus faible que la vitesse d'oxydation Vd < Vo.

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'oxyda-tion et de dissolution.

Ces influences sont résumées dans le tableau ci-après :

PARAMÈTRE VITESSE D OXYDATION Vo

VITESSE DE DISSOLUTION Vd

Concentration de l'électrolyte SO4H2

Croit jusqu'à un maximum de 250 g par litre, (conductivité maximale). Décroît au-delà.

Croit

Température du bain Influence négligeable Très grande influence. Croit avec la température

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

On adoptera pour la concentration de l'électrolyte une valeur la plus proche possible de celle qui donne la conducti-vité 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 dépas-ser 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

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

après ce tour d'horizon sur l'anodisa-tion, 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 déminérali-sée.

• 1 chargeur de 12 V par 8 A. • 1 contrôleur universel ou un ampè-

remètre 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 alumi-nium 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 col-matage 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 piè-ces d'accastillage.

Bac à anodiser perso