Cours Traitement de Surface Cherkaoui PDF [PDF]

Zitiervorschau

Traitement de Surface Méthodes Physiques, Chimiques et Electrochimiques Pr. Mohammed Cherkaoui

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La surface Un solide = une surface + un volume

Volume

Surface

Corrosion – PassivationAdsorption Frottement - usure Adhésion – collage

Surface réelle

Couche de contamination Couche d’oxyde Cristal fortement écroui Zone à structure cristalline modifiée Cristal intact

Notion de surface

Liaisons pendantes

(a)

(b)

Figure 1. Structure cubique centrée montrant le nombre de proches voisins pour un atome situé : (a) à l’intérieur du solide, (b) en surface.

Figure 2. Coupe schématique montrant les différentes couches présentes à la surface d’un matériau.

Etat topographique d’une surface

Lacune Cran

Atome adsorbé (adatome)

Marche

(couche atomique)

Terrasse

Peau Acier

Définition du traitement de surface Opération physique, chimique ou électrochimique qui a pour conséquence de modifier l'aspect ou la fonction de la surface des matériaux

Objectifs Adapter la surface à des conditions d’utilisation données en lui conférant de nouvelles qualités ► Résistance la corrosion ► Amélioration des propriétés mécaniques : Dureté, résistance à la fatigue…. ► Amélioration de la conduction thermique (ou de l’isolation), conductivité élec ► Esthétique

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Types de procédés Attaquer la surface afin d’éroder quelques nanomètres à quelques millimètres Revêtir la surface par des couches d’épaisseur variant de quelques nanomètres à quelques Micromètres

Faire diffuser en surface un ou plusieurs éléments

Types de surface ► Métallique ► Verre ► Plastique ► Céramique

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Quelques chiffres Les traitements de surface sont destinés à conférer un aspect et des caractéristiques particulières aux pièces métalliques. Leurs utilisations : anticorrosion (45%), anti-usure (24%), aspect (11%), conductibilité (8%), coefficient de frottement (8%), autre (4%).

Il existe une trentaine de techniques regroupées en 5 familles : traitement mécanique (42%), traitement thermochimique (4%), traitement par voie aqueuse et voie sèche (23%), peintures (31%), Les traitements de surfaces interviennent surtout dans le secteur de l’automobile, des télécommunications, de l’électronique, de l’aérospatial, de la bijouterie, l’aéronautique et de la quincaillerie. Les opérations de traitements de surfaces sont effectuées de nos jours par une multitude de petites entreprises sous-traitantes pour le compte de grands groupes industriels 8 8

Risques Des conditions de travail généralement pénibles et des salaires très modestes. L'exposition aux vapeurs de différents acides utilisés (acides sulfurique, chlorhydrique, cyanhydrique, fluorhydrique…) présente de graves dangers pour la santé, et les mesures de sécurité en œuvre dans les petites entreprises du secteur sont généralement insuffisantes Parmi les différents polluants pouvant être trouvés dans les bains et les boues (exceptés les acides et les bases) : des matières organiques, phosphorées ou azotées, des matières en suspension, des composés organo-halogénés, des cyanures, des fluorures, des métaux (Chrome, Zinc, Cadmium, Aluminium, etc.) et des sels (Cl-, K+, etc.). Enfin, la bioaccumulation de certaines de ces substances non métabolisées dans les organismes et les milieux

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Traitements physiques Mécaniques ► Grenaillage : Projection à grande vitesse de petites billes appelées grenailles sur la pièce à traiter. ► Sablage : projection d'un jet de sable très puissant (jet d'air comprimé) sur un objet verrier. Applications : Esthétique ( Surface satinée et brillante, Vitrail ) Gravure ( Eléments graphiques très précis ) ► Brossage manuel ► Polissage : Polisseuse mécanique. C’est un plateau tournant sur lequel on peut placer du papier abrasif de granulométrie allant de 180 à 4000, (selon l'utilisation ultérieure) jusqu'à une finition à l'alumine 3h (diamant). 10 10

Traitements physiques Thermiques ► Trempe : Elle est réalisée en surface. Le chauffage est effectué par induction ou au chalumeau et le refroidissement par aspersion. Applications : Industrie automobile (200 000 tonnes d’acier en France) ► Traitement thermochimique de diffusion : Apport en surface par diffusion chimique, sous l’action de la chaleur, d’un ou plusieurs éléments d’addition comme le carbone (cémentation), l’azote (Nitruration), le Chrome..

Applications : Aciers faiblement alliés, armement, lames de rasoir, bistouri… Traitement

Elément d'apport

Epaisseur traité (mm)

Température (degrés C)

résistance à l'usure - abrasion

Cémentation

Carbone

0.5 à 1

925 à 950

X

Nitruration

Azote

0.1 à 0.5

550

X

Carbonitru-ration

Carbone +Azote

0.05 à 0.5

600 à 900

résistance à la corrosion

résistance à la fatigue X

X

X

X

X

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Traitements physiques Projections Thermiques Tous les systèmes de projection thermique possèdent un gaz vecteur servant à Accélérer et transporter jusqu’au substrat de fines particules du métal à déposer ► Pistolet : Le métal est fondu par une torche oxyacétylénique vers 2760 degrés C puis projeté sur la pièce par soufflage d'un pistolet métalliseur (air comprimé) ► Arc : Un arc électrique entre deux électrodes chauffe un gaz (argon) vers 16700°C . Il en résulte une accélération des particules du gaz (éjection supersonique). Une poudre de la matière à déposer est injectée dans le gaz puis projetée sur la pièce à traiter. ► PVD : Le métal à déposer se présente sous forme de matériau massif * Chauffer par effet joule * Bombarder par canons d’électrons * Bombarder par un flux de particules énergétiques (ions positifs)

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Projections Thermiques

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Le vide est mesuré en pascals (Pa, unité du système international) ou plus couramment dans l'industrie en

Domaine de vide

Pression en mbars

Vide primaire 1 000 - 1 ou industriel

millibars

(mbar ; 1 mbar = 100 Pa), ou en torrs.

Libre parcours Molécules par moyen d'une cm³ molécule 1019 - 1016

0,1 - 100 μm

Vide moyen Vide poussé ou vide secondaire

1 - 10-3

1016 - 1013

0,1 - 100 mm

10-3 - 10-7

1013 - 109

10 cm - 1 km

Ultravide

10-7 - 10-12

109 - 104

1 km - 105 km

105 km

Ultra-ultravide 1 µm

Ti, Pd, Ni, NiCr

< 5000 Å

Ti, Al, Au

> 1 µm

Cr

< 5000 Å

AuZn, AuGe, Au

> 1 µm

Al, Cu

> 1 µm

Ni

< 5000 Å

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Traitements Electrochimiques ► Polissage électrochimique: Attaquer les couches superficielles en appliquant un courant anodique ou un potentiel plus anodique que le potentiel d’équilibre. ► Electrodéposition : Déposer un métal ou un alliage en appliquant un courant cathodique ou un potentiel plus cathodique que le potentiel d’équilibre. ► Electropolymérisation : Déposer un polymère soit par réduction ou par oxydation. ► Passivation : Appliquer un potentiel situé sur le palier de passivation qui permettra de former un film compact. Applications : Protection contre la corrosion, décoration.… 19 19

Etat topographique d’une surface

Lacune Cran

Atome adsorbé (adatome)

Marche

(couche atomique)

Terrasse

Peau Acier 20

Traitements Chimiques ► Dégraissage: Nettoyage de la surface pour éliminer les pellicules de graisse par des Solvants chlorés ou des solutions alcalines à T de 60-80°C ► Décapage : Attaque de la surface par des acides pour éliminer les oxydes formés naturellement. Il n’y pas de recettes. ► Phosphatation : Cette opération désigne le traitement de l'acier par l'acide phosphorique. Le décapage d'une surface d'acier à l'aide d'une solution diluée et chaude d'acide phosphorique provoque la formation de phosphate de fer, qui assure une passivation et améliore la tenue à la corrosion des revêtements de peinture. ► Galvanisation à chaud: Le substrat à protéger est plongé dans un bain porté à haute température contenant les ions métalliques à déposer. Ex Galvanisation : dépôt de zinc. 21 21

Traitements Chimiques ► Dépôt autocatalytique : Les électrons proviennent de réducteurs additionnés au bain qui s’oxydent facilement. La réduction des ions métalliques est généralement lente, elle est catalysée par le substrat.

► CVD : Contrairement à la PVD, le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition, CVD) n'utilise pas une source de vapeur solide mais un précurseur gazeux. Ex : On injecte des précurseurs gazeux comme le SiCl4avec H2 par exemple s'il s'agit de déposer du silicium.

► Dépôt Sol-Gel : Ce procédé utilise une solution contenant des précurseurs réactifs tels que les alcoxydes, ou métalalkoxydes M-OR (R : groupement alkyl). Cette solution se présentant sous forme de (Le sol ) suspension colloïdale, est constitué d’une phase solide, de granulométrie comprise entre un nanomètre et un micromètre, dispersée dans un liquide. 22 22

Autre application des traitements de surface: Modifier l’énergie de surface des matériaux

Notion d’énergie de surface

(a)

Liaisons pendantes

(b)

Figure 1. Structure cubique centrée montrant le nombre de proches voisins pour un atome situé : (a) à l’intérieur du solide, (b) en surface.

Figure 2. Coupe schématique montrant les différentes couches présentes à la surface d’un matériau.

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