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ETUDE DE L’EFFET DES BASES TEMPERATURES SUR LES PARAMETRES D’ANODISATION SULFURIQUE ET LA DURETE DE
LA COUCHE D’OXYDE DE L’ALLIAGE D’ALUMINIUM 2017
ZAZI Nacer
Laboratoire de Mécanique structure et énergétique, Département de Génie Mécanique, Faculté du Génie de construction BP 17RP UMMTO, [email protected]
Résumé :
Le présent travail porte sur la caractérisation électrochimique de l’alliage 2017 (AlCu4Mg) de corroyage avant anodisation, et mécanique après anodisation dure dans un bain l’acide sulfurique de concentration de 350g/l. Nous avons déterminés la résistivité de l’électrolyte aux températures 0°C,- 5°C,-10°C. Après décapage alcalin dans une solution de soude caustique de concentration 100g/l à 70°C pendant 3min, rinçage à l’eau déminéralisée, et une immersion dans l’acide nitrique, nous avons déterminés la densité de courant permettant d’avoir une anodisation dure dans l’acide sulfurique susciter aux températures de -10°C,-5°C, 0°C, par le balayage du potentiel électrochimique de 0V à 30V. Les expériences ont montrés que une densité de courant de 60mA/cm2 est un bon choix pour provoquer une anodisation, la tension nécessaire pour atteindre cette densité varie en fonction de la température du bain mais reste toujours supérieure à 23V à la température égale ou inférieure à 0°C. Cette variation peut être expliquée par le changement de la résistivité de l’électrolyte en fonction de la température. Une température d’anodisation faible permet l’obtention de couche d’oxyde moins poreuse. La surface d’une anodisation dure de couche d’oxyde de faible épaisseur et plus dure.
Mots clés : anodisation de l’aluminium, résistivité électrique, oxyde d’aluminium, alliage d’aluminium 2017, dureté.
1 Introduction
L’aluminium en contact de l’atmosphère, se recouvre instantanément d’une couche d’oxyde mince, dont la partie externe est plus au moins hydratée, suivants les conditions de température et d’humidité relative lors de sa formation. Cette couche atteignant généralement 2 à 4 nm, joue un rôle important dans le bon comportement du métal vis-à-vis la tenue à la corrosion, du fait de son renouvellement spontané.
L’anodisation sulfurique, est actuellement l’anodisation la plus répandue en raison de sa facilité de mise en œuvre et faible coût de l’électrolyte, le large domaine d’utilisation du procédé, la maîtrise aisée des paramètres de traitement [1-2].
La concentration en acide sulfurique adéquate est située entre 180 et 200 g/l pour trouver le meilleur compromis entre la conductivité du bain et la dissolution chimique de l’oxyde. Des
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La température du bain joue un rôle fondamental sur la structure de l’oxyde. La réaction chimique de dissolution variant d’une façon exponentielle avec la température, l’augmentation de cette dernière conduit à une attaque importante de la couche en surface, voire le phénomène de pulvérulence, poudre blanche à la superficie de l’oxyde traduisant une fragilisation importante de l’oxyde. Dans le domaine de concentration cité sus-dessus il ne faut pas dépasser 21°C. Une anodisation à une température inférieure est possible requiert une tension plus élevée [3].
La densité de courant, qui conditionne la vitesse d’élaboration de la couche, ne peut pas être augmentée indéfiniment. En effet, l’effet joule qui en résulte au fond des pores, lieu du passage du courant, conduit à une élévation de température, d’où une dissolution accélérée de l’oxyde,pouvant provoquer le phénomène de brulure, c'est-à-dire la mise à nu du métal et arrêt du processus d’anodisation, dans ce cas la répartition des lignes de courant sont totalement déséquilibrée en raison de la présence simultanée d’une surface résistive et d’une surface conductrice [3].
La littérature montre que nombreux additifs à l’acide sulfurique ont été étudiés pour améliorer les propriétés des couches ou augmenter la productivité du procédé. On peut citer entre autres, l’acide oxalique, et l’acide glycolique et le glycérol.
A l’échelle microscopique, les métaux et alliages sont des polycristaux, c’est-à-dire qu’ils sont constitués d’une multitude de zones monocristallines appelés grains (empilement régulier de mailles élémentaires), qui sont en cohésion les uns avec des zones appelées joints de grains. D’autre part, les alliages d’aluminium présentent, selon leur histoire thermique, une précipitation de seconde phase localisée aux joints de grain. Ces inclusions de 200nm peuvent jouer un rôle important dans le processus de l’anodisation.
D’où l’anodisation sulfurique dépend des constituants de l’alliage. Si les éléments d’addition sont en solution solide et distribués d’une manière homogène dans l’alliage, ils altéreront peu l’aspect et les propriétés pysico-chimiques de la couche d’anodisation. Si les éléments d’addition ne sont pas en solution solide, mais sous forme métallique ou sous forme de combinaison métallique présente dans le grain ou bien aux joints des grains. Non seulement la nature, mais aussi la taille, la forme et la répartition de ces précipités influenceront les propriétés de la couche d’anodisation. Deux cas se présentent : soit les précipités sont oxydés ou dissous plus rapidement que la matrice, dans ce cas la couche formée est poreuse et présente une mauvaise protection contre la corrosion, la couche d’oxyde est fragile, soit les précipités sont mois réactifs que la matrice, voire inerte, dans ce cas ils se retrouvent incorporé dans la couche [4-5].
2 Description des travaux réalisés:
L’alliage qui a été étudier est l’alliage d’aluminium l’AU4G (2017) de composition donnée par le tableau (1). Le cuivre présent dans cet alliage n’est pas favorable pour une bonne anodisation.
Eléments Al Cu Fe Si Mn Mg Zn Cr Ti
% Reste 4 0,478 0,840 0,783 0,806 0,061 0,04 0,077
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Préparation de la surface de l’alliage pour AU4G (2017) à l’anodisation :
Avant toute manipulation, une préparation de surface est nécessaire. Celle que nous avons choisie est un décapage chimique alcalin. En utilisant un bain de soude caustique à concentration de entre 30 et 100 g/l à chaud à 70°C, pendant 3minutes. Lors du décapage alcalin on observe un dégagement d’hydrogène provoque une agitation à la surface des échantillons ce qui permet l’élimination des poussières, particules métalliques (graphite) …etc. très intéressant lorsque on n’a pas fait de dégraissage préalable. Après décapage à la soude nous avons obtenu un dépôt noir peut adhérent, représentant l’oxyde de cuivre. Il a été alors nécessaire après rinçage soigné à l’eau, d’effectuer une immersion dans une solution acide nitrique pour neutraliser la soude et éliminé les dépôts d’oxydes de cuivre.
Dans ce travail nous avons utilisés une électrode de plomb en cathode et une contre électrode de platine.
Electrolyte de l’anodisation:
L’électrolyte que nous avons utilisé pour l’anodisation était constitué uniquement d’H2SO4 à 350g/l à une température égale et inférieure à 0°, que nous avons attient grâce à un cryostat.
Nous avons mesuré la densité de courant après balayage du potentiel à partir de 0V jusqu'à 30V et nous avons déterminés la densité de courant indispensable pour provoquer une anodisation. Nous avons déterminé la tension nécessaire pour atteindre cette densité de courant pour différentes températures de l’électrolyte, -10°C, -°C, 0°C.
Mesure de la résistivité :
Pour déterminer la résistivité de l’électrolyte aux différentes températures nous avons utilisé l’appareil permettant la mesure de la conductivité électrique (conductimètre), l’inverse de la conductivité électrique représente la résistivité électrique de l’électrolyte.
Mesure de dureté Vickers :
La dureté d’une couche anodique à été évalue sur la coupe transversale et sous faible charge, typiquement 15g. En effet, toute mesure par indentation perpendiculaire sera inexacte car la pointe du diamant pyramidale traditionnelle nécessite des couches épaisses et n’est pas assez fine pour déceler les différences de dureté entre la surface de la couche et le voisinage de l’interface métal-oxyde. De ce fait nous avons utilisés le diamant Knoop, de forme mieux adaptée. Nous avons mesuré la dureté à différentes positions de la couche d’oxyde par rapport au substrat et nous avons tracés la courbe dureté de la couche d’anodisation–distance du substrat.
3 Résultats et discussions :
(La figure 1) montre que de la densité du courant en fonction du potentiel dépend de la température de l’électrolyte, une anodisation à une température base exige un potentiel élevé, une densité de courant de 30mA/cm2 est un bon choix pour provoqué l’anodisation aux températures comprise entre (-10°C et 0°C), la tension nécessaire pour atteindre cette densité varie en fonction de la température de l’électrolyte
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Figure 1 :Courbes de intensité de potentiel de l’alliage d’aluminium 2017 dans une solution d’acide sulfurique de concentration de 350g/l aux températures (a) -10°C,(b)-5°C, (c) 0°C
(La figure 2) montre que l’évolution de la densité de courant en fonction du potentiel imposé, le changement du courant d’anodisation et du potentiel de l’anodisation dans un intervalle de températures variant de (-10 à 0°C) est due à la variation de la conductivité et la résistivité de la solution en fonction de la température. Une forte résistivité implique une mauvaise circulation électronique induisant un faible courant électrique dans la cellule. D’où un blocage de l’anodisation.
Figure 2 : Evolution de la résistivité de la solution de 350g/l d’acide sulfurique H2SO4 en fonction de la température.
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Figure 3 : Evolution de la dureté Vickers de la couche d’oxyde en fonction de la distance du substrat après anodisation dans une solution d’acide sulfurique de concentration de 350g/l et sous une densité de courant de 60mA/cm2 : (a) de 1h 30mn (épaisseur de la couche d’oxyde 110m), (b) de 90 minute (épaisseur de l’oxyde 60 m).
4 Conclusion :
Ce travail a montré que la température influe sur les paramètres d’anodisation telle que la densité de courant, le potentiel d’anodisation et la résistivité du bain d’anodisation. De ce fait une température d’anodisation dure faible permet l’obtention d’une couche d’oxyde moins poreuse.
Une anodisation dure avec une forte épaisseur de la couche d’oxyde n’attribue pas une grande dureté à la surface de la pièce. Donc il est préférable d’élaborer une couche d’anodisation dure mince.
Références
[1] Cochran .W.C. “ Anodizing. Aluminium” vol. III, p. 641 à 684 éd. Kent R. Van Horn, ASM (1967).
[2] Domoningues.L, Fernandes. J.C.S, Cunha Belo. M.Da, M.G.S. Ferreira, Guerra-Rosa. L, Anodising of Al 2024-T3 in a modified sulphuric acid/boric acid bath for aeronautical applications, Corrosion Science 45 (2003) 149-160.
[3] Technique de l’ingénieur, M1630.
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[5] Ghemras.I ,.Zazi.N , Belouchrani.M.A, Effet du vieillissement et de l’anodisation sulfurique et sulfurique-borique sur le comportement mécanique et sur la résistance à la fatigue de l’alliage d’aluminium 2017A, 8ème Journée de Mécanique 10-11 Avril 2012 EMP Alger.
