Transcript 1-DEFINITION TRAITEMENT de SURFACES

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
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.
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GENERALITES
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
)
Infrastructure
et construction
Industrie automobile
Protection
Décoration
Aérononautisme
Modifier les propriétés des matériaux
Electrique, frottement, dureté
Microélectronique
Tunning !
Batiment
Bijouterie
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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
Science
des Matériaux
-Métallurgie
- polymères
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- chimie des solutions
- chimie organique
Génie
- électrochimie
des procédés
-transfert
Rejets : dépollution, législation
de chaleur
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Fonctions d’un Traitement de Surfaces
Décoration
Anticorrosion
-traitements électrolytiques
-Préparer
-traitements électrolytiques
Revêtements métalliques
Dégraissage
Revêtements métalliques
Dorure, chromage
Décapage
Conversions (anodisation)
Brillantage
-Mettre en forme
-Traitements chimiques
-Traitements chimiques
Dépôts épais
Conversions (phosphatation)
Enlèvement de matière
adapter l’interface
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Aspects économiques
Rôle principale du TTS = maintenance préventive et curative des pièces
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
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
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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
Conductibilité
électrique
8%
Autres :
0,75 % Modifications des propriétés optiques
0,45 % Isolation électrique
Soudabilité
3%
Amélioration des
caractéristiques de
glissement
8%
0,15 % Antioxydation à haute température
0,07% Isolation aux rayonnements
0,08 % Isolation thermique
Amélioration de
l'aspect
11%
Anti-corrosion
44%
Autres
2%
Anti-usure
24%
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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.
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TYPES DE TRAITEMENT DE
SURFACES
Les différents types de traitements de surface
q Les 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).
q
Les 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).
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Les différents types de traitements de surface
Traitements par
transformation
structurale
6%
Traitements de
conversion
17%
Traitements de
diffusion
5%
Revêtements hors
peinture
42%
Peintures
30%
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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.
condensées sur les surfaces qu’on veut revêtir.
Puis les vapeurs sont ensuite
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
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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).
• 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 physicochimique 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.
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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)
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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)
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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…
●
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Voie humide : Procédé générique Traitement de surfaces
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Phases d’un traitement de galvanoplastie
L’élaboration d’un revêtement peut se schématiser en effet selon les quatre stades suivants :
Finition et
Sèchage
Polissage
Rinçage Rinçage
Dégraissage
chimique et ou
électrolytique
STADE A
Métal de base
Traitement thermique
Traitement
superficiel
Rinçage
Décapage
STADE B
STADE C
Préparation de
surface
Electrodéposition
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Dépôts
Rinçage
STADE D
Traitements finaux (mécaniquesthermiques)
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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)
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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,
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ATELIER DE GALVANOPLASTIE
Exemple type d’une ligne industrielle de traitement de
surface (revêtement électrolytique)
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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
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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, …)
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Atelier de Galvanoplastie : Préparation
On distingue classiquement 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.
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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.
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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.
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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
d’être contrecarrées par l’interposition
rapidement avec la distance, et
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
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La surface idéale ?
Propriété 4 : enlèvement de matière
La couche superficielle de métal doit parfois être déplacée 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.
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La surface idéale ?
Contrôle des états de surfaces
En labo :
-Rugosimètre
-brillance-mètre,
- analyses chimiques diverses,
- métallographie.
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Le dégraissage
Le dégraissage se pratique :
- dans l’industrie de transformation des métaux (après usinage ou déformation à froid ou à chaud, avant et après
traitements thermiques, avant soudage...)
- dans un atelier de 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. »
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Le dégraissage
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.
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
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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 !)
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un dégraissage
chimique
suivi
ou
non
d’un
traitement
électrolytique, réalisés en milieu
aqueux et destinés à détruire le
résidu huileux de faible épaisseur.
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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.
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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
superficielles très différentes
des
tensions
 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
Solubilité dans l’eau
Pouvoir moussant faible (ou contrôlé)
Respect des surfaces traitées (corrosion des métaux
faible)
 Les principales caractéristiques d’un
dégraissant chimique :
Traitement des effluents aisé
Agressivité faible vis-à-vis de l’homme et de
l’environnement
Réserve d’alcalinité pour maintien du pH constant
Prix de revient compétitif ...
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44
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 + 2OHréaction globale H2O  H2 + 1/2 O2
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45
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 cas et 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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46
Dégraissage électrolytique : Rinçages

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
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47
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 simple courant : 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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48
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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49
Le décapage
Décapage chimique :

But : éliminer les oxydes par dissolution ou éclatement de la couche sans que le métal sousjacent 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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50
Le décapage
o
o
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.
Décapage électrochimique :
o
Il se pratique en solution acide ou alcaline.
o
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)
o
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,…)
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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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52
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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53
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.
J
E
B
C
A
E1
D
E2
Potentiel

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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54
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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55
Traitement de surfaces par voie humide ( TSVH)
On convient de classer les TSVH par rapport à trois fonctions :
v la fonction « anticorrosion »  Il s'agit principalement des revêtements protecteurs et
des traitements de conversion, qui concernent l'automobile, le bâtiment, l'aéronautique.
v la 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).
v la 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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56
Les paramètres du bain de galvanoplastie
Il se compose de différentes espèces :
• Le degré
d’agitation
• Les espèces électroactives qui participent à la réaction de
transferts de charges à la cathode.
•La température
Ils sont ajoutés sous formes de sels solubles dans l’eau
dissociables en ions métalliques. On trouve :
• La densité de
courant
• La tension
• La distance
anode-cathode
• La filtration du
bain
• Le rendement
cathodique …
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·
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, …
57
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.
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58
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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59
Rôle des additifs organiques
Avec Additif 1
Sans addtif
Avec Additif 2
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60
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.
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