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Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cour

Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- Ch IV Traitement de surface par revêtements IV-1 Introduction : Terme général désignant toute couche de métal sur une surface obtenue par un procédé de recouvrement, tel que la surface du métal d'apport soit assez homogène et les modifications du matériau de base à l'interface négligeable pour que la qualité de la couche soit définie par son épaisseur. Les traitements des matériaux regroupent l’ensemble des techniques permettant l’amélioration des propriétés chimiques, physiques ou mécaniques des produits manufacturés. Ils recouvrent un ensemble d’opérations ayant pour but de modifier les caractéristiques superficielles des matériaux afin de leur conférer des propriétés spécifiques telles que : la résistance à la corrosion, l’amélioration de l’aspect, l’amélioration des caractéristiques physiques et mécaniques superficielles (dureté, conductibilité, glissement…). Pour y parvenir, le praticien dispose de plusieurs traitements mécaniques, chimiques ou électrolytiques dépendant de l’objectif à atteindre. Les techniques les plus utilisées sont : des revêtements métalliques (zinc, chrome, or…); des revêtements non métalliques (peinture, plastique…); des traitements de conversion (anodisation…). Ces techniques, souvent complémentaires, prennent de plus en plus d’importance. Elles apportent une forte valeur ajoutée aux matériaux utilisés dans des conditions d’emplois sévères. Qu’est-ce qu’un revêtement ? Terme général désignant toute couche métallique, organique ou minérale déposée sur une surface par un procédé de recouvrement, tel que la surface du matériau d’apport soit assez homogène et les modifications du matériau de base à l’interface négligeable pour que la qualité de la couche soit définie par son épaisseur. Fig. IV-1 Le matériau d’apport ne réagit pas ou très peu avec le substrat IV-2 Les types traitements de surface par revêtement : Le revêtement est un terme qui désigne toute couche de métal obtenue sur une surface par un procédé de recouvrement, tel que la surface du métal les modifications du matériau de base à l’interface négligeable et la couche superficiel du métal résultat de ce traitement est presque homogène pour que la qualité de la couche soit définie par son épaisseur. 1 A. EL MOHRI Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- IV-3 Revêtements Métalliques : On les emploie couramment pour protéger l'acier, notamment contre la corrosion atmosphérique. On peut aussi les appliquer sur d'autres substrats comme le cuivre ou le laiton, comme c'est le cas par exemple pour les revêtements de chrome sur les robinets. D'une manière générale, on distinguera deux types de revêtements métalliques : IV-3-1 Les revêtements anodiques : Le métal protecteur est moins noble que le métal à protéger. C'est le cas du procédé de galvanisation (revêtement de zinc). En cas de défaut du revêtement, il y a formation d'une pile locale et ce dernier se corrode en protégeant cathodiquement le métal de base. La protection reste donc assurée tant qu'une quantité suffisante de revêtement est présente. Plus que l'absence de défaut, c'est donc l'épaisseur qui est un élément important de ce type de revêtement. En général, elle est comprise entre 100 et 200 μm. Fig.IV-2 Revêtement Anodique (Zn ; Mg) 2 A. EL MOHRI Oxyde de zinc = cicatrisation Corrosion généralisée du revêtement par couplage galvanique Revêtement = ANODE Substrat = Acier = CATHODE Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- IV-3-2 Les revêtements cathodiques : Le métal protecteur est plus noble que le métal à protéger. C'est le cas par exemple d'un revêtement de nickel ou de cuivre sur de l'acier. En cas de défaut du revêtement, la pile de corrosion qui se forme peut conduire à une perforation rapide du métal de base, aggravée par le rapport "petite surface anodique" sur "grande surface cathodique". Dans ce cas, la continuité du revêtement est donc le facteur primordial. Fig.IV-3 Revêtement Chathodique. IV-3-3 Corrosion (Réactions électrochimiques) : Considérons un électrolyte contenant de l’acide chlore HCL c’est-à-dire les ions H+ et les ions CL- PH ˂ 7 sans oxygène dissout. Si on plonge une électrode de fer dans cet électrolyte. Il y a réaction des atomes de fer avec les ions H+ 3 A. EL MOHRI Corrosion par couplage galvanique Revêtement = Aluminium (oxyde) = cathode Substrat = Acier = ANODE Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- Fig.IV-4 Electrolyte HCl+H2O Les atomes de fer sont oxydés selon la réaction d’oxydation : Fe → Fe2+ + 2e− Le métal fer a été oxydé à l’état d’ions Fe2+ Une oxydation est une perte d’électrons (e-) de l’atome métallique (Fe) Cette réaction est une réaction anodique. Les électrons (e-) disponibles servent à réduire les ions H+ de l’électrolyte pour donner des atomes d’H2 atomique qui en se combinant forment des molécules H2 gazeux selon la réaction de réduction donné par l’équation 2H+ + 2e− → H2 Cette réaction est une réaction cathodique La réaction globale peut-on s’écrire Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 Puisque les sites de réactions du fer change constamment de place sur l’électrode, la dissolution de l’électrode de fer se fait de façon uniforme, et l’électrode de fer est appelé électrode double, à la surface de la quelle se passe simultanément une réaction anodique et une réaction cathodique. IV-4 Les Revêtements obtenus par Voie Humide : Les procédés par voie humide sont ceux dans lesquels le matériau d'apport sera soit liquide, soit dissout dans un liquide. IV-4-1 Revêtement chimiques = Réactions électrochimiques : La réduction du métal d'apport Mn++ n e-= M se fait sans apport de courant (le métal est sous forme ionique). Considérons maintenant un électrolyte contenant de sulfate de cuivre CuSO4 c’est-à-dire les ions métalliques Cu2+ et SO4 2-. Si on plonge une électrode de fer dans cet électrolyte. 4 A. EL MOHRI Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- Fig.IV-5 Electrolyte de Cu2+ et SO42- Les atomes de fer sont oxydés selon la réaction d’oxydation : Fe → Fe2+ + 2e− Perte d’électrons (e-) de l’atome métallique (Fe). Cette réaction est une réaction anodique.  Les ions cuivre Cu2+ ont oxydé le fer : l’ion Cu2+ est un oxydant.  Le fer a réduit les ions Cu2+ : le fer est un réducteur. Fig.IV-6 Réaction anodique (Cu2+ est un oxydant et le Fe est un réducteur) Les électrons libérés par la réaction anodique du fer réagissent alors avec les ions Cu2+, et il y a formation du cuivre métallique selon la réaction de réduction suivante : Cu2+ + 2e− → Cu Cette réaction cathodique donne naissance à du cuivre métallique, qui se dépose sur l’électrode de fer formant progressivement un revêtement de cuivre sur le fer. 5 A. EL MOHRI Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- Fig. IV-7 Réaction cathodique (Fe2+ est un oxydant et Cu réducteur) La réaction globale d’oxydo-réduction fait que le fer se transforme en ions et que les ions de cuivre sont réduits en cuivre métallique. Une fois encore la dissolution de l’électrode de fer se fait de façon uniforme et l’électrode de fer est appelé électrode double, à la surface de la quelle se passe simultanément une réaction anodique et une réaction cathodique. Réaction globale conduisant à la formation d’un dépôt de cuivre métallique. Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu De façon semblable si on plonge une plaque de cuivre dans une solution de sulfate d’argent (AgNO3), les ions Ag+ de la solution sont réduites et se dépose sur la plaque de cuivre. Le réducteur est l'élément qui perd des électrons au cours d'une réaction d'oxydation Cu → Cu2+ + 2e− Réducteur L'oxydant est l'élément qui gagne des électrons au cours d'une réaction de Réduction. Ag+ + 1e− → Ag Oxydant L'électrode est la partie conductrice ou une réaction d'oxydation ou de réduction va apparaitre IV-4-2 Les Revêtements Electrolytiques : IV-4-2-1 Principe : Fig. IV-8 Revêtement électrolytique dans un batterie. 6 A. EL MOHRI Traitements de surface Ingénierie des Matériaux et des surfaces ChapitreIV Cours ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------- Le passage du courant dans le circuit est assuré par le déplacement des ions dans la solution et par celui des électrons dans les électrodes et les fils extérieurs. Aux interfaces électrode - solution se produisent des changements de porteurs de charge qui correspondent à des échanges d’électrons entre les ions et les électrodes, c’est à dire à des réactions électrochimiques localisées à la surface des électrodes. Sous l’influence du générateur, qui impose le sens du courant en servant de ”pompe a électrons”, – une oxydation a lieu à l’anode (borne +), qui collecte de électrons arrachés aux espèces qui viennent à son contact – une réduction a lieu à la cathode (borne -), qui au contraire fournit des électrons aux espèces qui viennent à son contact. Une électrolyse s’effectue dans un électrolyseur comportant deux électrodes au contact d’un électrolyte qui est constituée de plusieurs ions. Une électrolyse est une réaction d’oxydoréduction forcée par un générateur de tension continue. Le courant sort toujours du pole (+) du générateur et rentre au pôle (–) du générateur, mais le sens des électrons est de uploads/Finance/ ch-iv-revetements.pdf