CA2161189A1

CA2161189A1 - Procede de regulation de l'epaisseur d'un revetement electrodepose sur une piece metallique

Info

Publication number: CA2161189A1
Application number: CA002161189A
Authority: CA
Inventors: Robert Carthery; Pascal Prieur
Original assignee: Individual
Current assignee: SYNTHESE D'ETUDES ET DE RECHERCHES Ste
Priority date: 1994-10-24
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1996-04-25
Also published as: BR9504531A; EP0709495A1; JPH08209398A; FR2726009B1; FR2726009A1; KR960014420A

Abstract

-

Description

2161i$9 .,~

PROCEDE DE REGULATION DE L'EPAISSEUR D'UN REVETEMENT
ELECTRODEPOSE SUR UNE PIECE METALLIQUE

La présente invention concerne un procédé de régulation de l'épaisseur d'un revêtement électrodéposé sur une pièce métallique.
L'électrodéposition est un procédé qui consiste à
revêtir, par électrophorèse, une pièce métallique d'un revêtement approprié.
Dans toute la présente demande, il est question d'une pièce à revêtir par électrodéposition. Il est bien entendu que ce vocable ne désigne pas exclusivement une pièce unique, mais que l'on entend par là une pièce ou un ensemble de pièces.
Le principe général de l'électrodéposition d'une peinture aqueuse sur.une pièce métallique est le suivant :
- accrochage de la pièce métallique sur une balancelle de façon à assurer un contact électrique entre la pièce et la balancelle ;
- dégraissage de la pièce, par exemple dans un bain alcalin, suivi d'un rinçage - phosphatation de la pièce, suivie d'un rinçage - passivation chromique de la pièce, suivie d'un rinçage avec de l'eau déminéralisée ;
- immersion de la pièce dans un bain d'électrophorèse contenant la peinture et application d'une tension, pendant une durée déterminée, entre la pièce formant une première électrode et une seconde électrode immergée dans le bain, suivie d'un rinçage de la pièce avec ultrafiltration de l'eau de rinçage en vue de récupérer le maximum de peinture ; et - cuisson pour polymériser la peinture.

2 L'électrodéposition nécessite l'utilisation d'une peinture spéciale et l'emploi d'installations importantes dont les conditions de fonctionnement ont un impact important sur le déroulement du procédé : la qualité et l'épaisseur de la couche de peinture électrodéposée dépendent fortement de la température, de la tension et/ou de l'intensité appliquée, et des caractéristiques du bain, notamment des proportions de peinture, de solvants et liants.
Lors du processus d'électrodéposition, il y a également électrolyse, laquelle se traduit par un dégagement acide au niveau de l'anode. C'est pourquoi la pièce à peindre forme souvent la cathode, l'anode étant alors munie d'un dispositif de récupération et d'élimination de l'acide produit.
Malgré les inconvénients précités, l'électrophorèse est très utilisée car elle présente de nombreux avantages : elle permet de peindre sans trop de difficultés des pièces complexes puisque ces dernières sont immergées dans un bain.
La répartition de la peinture est régulière sur toute la surface de la pièce et la couche est de faible épaisseur, ce qui limite la consommation de peinture. A titre d'exemple, la couche de peinturè électrodéposée sur certaines pièces détachées d'automobile est de l'ordre de 10 à 20 micromètres.
Il faut noter que la répartition de la peinture sur la pièce est régulière, car la peinture déposée présente une résistance électrique qui croit avec l'épaisseur de la couche. Cette résistance électrique que présente la couche de peinture déposée, permet de négliger la variation du champ électrique dans le bain d'électrophorèse, variation du champ électrique qui est due notamment à la géométrie des pièces et à leur position vis à vis de l'anode.
Mais, de nombreux problèmes subsistent encore, notamment en ce qui concerne le réglage de l'épaisseur du revêtement et la qualité de ce dernier.
Il faut que la couche de peinture électrodéposée soit suffisante pour protéger efficacement la pièce revêtue des risques d'oxydation. Mais il ne faut pas que cette couche soit trop épaisse, car la qualité dimensionnelle des pièces risquerait d'en être affectée. De plus, chaque micromètre de peinture déposé inutilement se chiffre par un surcoût non

3 négligeable. Il est donc important de maîtriser l'épaisseur de la couche de peinture électrodéposée.
L'intensité fournie aux électrodes doit également rester inférieure à une valeur limite, notamment au début du processus, sinon, par claquage diélectrique, des défauts risquent d'apparaître à la surface de la pièce, la rendant inutilisable.
Ces problèmes d'épaisseur et de qualité ont été résolus dans les cas où la surface des pièces est la même d'une balancelle à l'autre. Comme l'épaisseur de peinture déposée est proportionnelle à la quantité d'électricité délivrée aux électrodes et inversement proportionnelle à la surface de la pièce formant la première électrode, la connaissance de la surface à revêtir permet de calculer aisément la quantité
d'électricité nécessaire au processus d'électrodéposition.
L'utilisation d'une source de courant ou de tension et le calcul ou la mesure de la quantité d'électricité délivrée aux électrodes permettent un contrôle efficace de l'épaisseur du revêtement. Mais, lorsque la surface des pièces varie fortement d'une balancelle à l'autre, le problème du contrôle de l'épaisseur est reposé. En effet, pour une alimentation donnée en courant ou en tension, il arrive que l'épaisseur de la couche déposée varie, par exemple, du simple au double entre deux balancelles de surfaces différentes. Cet inconvénient a un fort impact sur la qualité du revêtement, mais également sur le coût du procédé, puisque les peintures utilisées sont très coûteuses. Sur une année, tout micromètre de peinture déposé en sus de l'épaisseur nécessaire conduit à
un surcoût très important.
Il serait donc souhaitable de pouvoir contrôler l'épaisseur de peinture électrodéposée, même lorsque la surface des balancelles qui se succèdent dans le bain n'est pas constante.
Une solution consisterait à prévoir un opérateur dont la tâche serait d'estimer, avec plus ou moins de précision, la surface des balancelles qui se succèdent dans le bain, et d'introduire cette donnée dans le système d'alimentation électrique. Mais, si cette solution est efficace pour contrôler l'épaisseur du revêtement, elle ne régle pas complètement le problème des coûts puisqu'elle nécessite la

4 présence permanente d'un opérateur, outre le, fait que la détermination de la surface est très difficile.
Un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de régulation de l'épaisseur d'un revêtement électrodéposé sur une pièce métallique, quelle que soit la surface de la balancelle.
La régulation de l'épaisseur de peinture électrodéposée sur des balancelles de surfaces différentes permettra d'ajuster au mieux le processus d'électrodéposition et d'obtenir un revêtement de bonne qualité tout en générant une économie importante.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de régulation de l'épaisseur d'un revêtement électrodéposé sur une pièce métallique, ledit revêtement étant électriquement résistant et la pièce à revêtir formant une première électrode que l'on immerge dans un bain d'électrophorèse dans lequel une seconde électrode est immergée, caractérisé en ce que :
a) on applique entre les première et seconde électrodes, pendant une première durée déterminée T1, une première tension vl de profil détèrminé ;
b) on mesure la quantité d'électricité Ql délivrée aux électrodes pendant ladite première durée T1 ;
c) on détermine, au moyen d'abaques, la surface immergée S de la première électrode, en fonction de la quantité d'électricité Q1 ;
d) on calcule la quantité d'électricité Q, nécessaire à revêtir la surface immergée S de la première électrode d'une couche de revêtement d'épaisseur e souhaitée, à partir de la formule Q = k . e . S, où Q est la quantité d'électricité nécessaire, k est une constante connue obtenue par étalonnage, e est l'épaisseur de revêtement souhaitée, et S est la surface immergée de la première électrode ;
e) on délivre aux électrodes la quantité d'électricité
Q2, avec Q2 = Q - Q1.

.,~
Avantageusement, on délivre aux électrodes la quantité
d'électricité Q2 par :
el) détermination, au moyen d'abaques, d'une seconde tension V2 à appliquer entre les première et seconde électrodes pendant une seconde durée déterminée T2, en fonction de la surface immergée S
et de la quantité d'électricité Q ;
e2) application entre les première et seconde électrodes, pendant la seconde durée T2, de cette seconde tension V2.
Selon une variante, on délivre aux électrodes la quantité d'électricité Q2 par :
el) détermination, au moyen d'abaques, d'une seconde durée T2 d'application de la première tension V1 entre les première et seconde électrodes, en fonction de la surface immergée S et de la quantité
d'électricité Q ;
e2) application, entre les première et seconde électrodes, de la première tension V1 pendant cette seconde durée T2.
Selon une autre variante, on applique entre les première et seconde électrodes, une tension appropriée, jusqu'à
délivrer aux électrodes la quantité d'électricité Q2.
De préférence, l'électrode formée par la pièce à revêtir est la cathode.
De préférence, les abaques sont archivés par tout système approprié et utilisés de manière automatique, notamment par un système informatique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - Figure 1 est un graphe illustrant de manière schématique la tension appliquée aux électrodes pendant la première phase ;
- Figure 2 est un graphe illustrant de manière schématique l'intensité délivrée aux électrodes, compte tenu de la tension appliquée illustrée sur la figure 1 ;

Izi 61189 - Figure 3 est un graphe illustrant de manière schématique la tension appliquée aux électrodes pendant les deux phases du cycle.
- Figure 4 est un graphe illustrant de manière schématique, pour un profil de tension donné, la variation de la quantité d'électricité délivrée aux électrodes en fonction de la surface des balancelles.
- Figure 5 est un graphe illustrant de manière schématique, pour une quantité d'électricité Ql donnée délivrée pendant la première phase, la variation de la quantité d'électricité Q2 délivrée aux électrodes en fonction du profil de tension V2 appliqué pendant la seconde phase.
L'invention s'applique au processus d'électrodéposition tel que décrit précédemment. Plus précisément, le procédé de l'invention est un complément de l'étape d'électrodéposition proprement dite, à savoir l'étape où la pièce, immergée dans le bain, est soumise à une tension.
La pièce est fixée sur une balancelle de manière à
assurer entre-elles un contact électrique.
La balancelle, sur laquelle la pièce est fixée, est la cathode. L'anode comporte un dispositif d'élimination de l'acide dégagé à son contact lors de l'application de la tension, afin de maintenir les caractéristiques du bain constantes. Dans le même objectif, la température et les autres caractéristiques du bain (notamment les proportions de peinture, solvants) sont maintenues constantes par tout dispositif approprié.
Chaque balancelle immergée dans le bain est soumise à un cycle de dépose. Chaque cycle de dépose a une durée T. Le cycle de dépose correspond à l'application d'un tension aux bornes des électrodes. L'application de cette tension s'effectue en deux phases. La première phase commence à
l'origine et se poursuit pendant un temps Tl. La seconde phase débute à T1 et se poursuit pendant un temps T2. On a la relation suivante : T = Tl + T2.
La figure 1 illustre, en fonction du temps, la tension appliquée aux bornes des électrodes pendant la première phase du cycle de dépose. L'origine du temps est au début de `...

l'application de la tension, alors que la cathode est immergée.
Pendant la première phase, la tension V1 croit linéairement jusqu'à atteindre une tension U1, puis reste constante à cette valeur U1.
La pente de la montée en tension est choisie de manière à ne pas soumettre la pièce à une intensité initiale trop forte, car les pièces sont encore dépourvues de revêtement suffisamment résistif lors de l'application de la tension. Un profil schématique de la variation d'intensité est représenté
sur la figure 2. A la mise sous tension, l'intensité croit rapidement avec la montée en tension, puis se stabilise avant de diminuer lorsque la tension appliquée est constante. La diminution de l'intensité s'explique par la résistance croissante de la couche de peinture électrodéposée.
La figure 3 représente les deux phases du cycle de dépose. La première partie de la courbe, jusqu'à Tl, correspond à la première phase illustrée sur la figure 1 et décrite ci-dessus. La seconde partie de la courbe correspond à la seconde phase. Pendant la seconde phase, de durée T2, la tension V2 est maintenue constante à une valeur U2.
A la fin du cycle, l'alimentation électrique est coupée et la balancelle est prête à sortir du bain pour la prochaine étape de rinçage avec ultrafiltration décrite précédemment, la pièce étant sensiblement revêtue de l'épaisseur de peinture souhaitée.
Pendant la première phase, un appareil approprié, tel qu'un coulombmètre, mesure la quantité d'électricité Ql délivrée aux électrodes. Cette quantité d'électricité Qi dépend notamment du profil de la tension appliquée et de la surface de la balancelle.
A T1, on détermine la surface de la balancelle à partir de la quantité d'électricité Q1 mesurée. Cette détermination s'effectue à partir d'abaques obtenus par étalonnage du bain.
Cet étalonnage est effectué de la manière suivante.
On immerge dans le bain une balancelle de surface connue et on la soumet au profil de tension Vl de la figure 1. A Tl, on mesure la quantité d'électricité Qi délivrée aux électrodes.

Puis, on fait de même avec d'autres balancelles de surfaces connues.
On reporte les résultats obtenus sur un graphe avec, en ordonnées, les quantités d'électricité Qi mesurées et, en abscisses, les surfaces testées, et on linéarise. Plus on aura testé de surfaces différentes, meilleure sera la précision à la linéarisation.
On obtient, pour un profil de tension V1 donné, une courbe de la quantité d'électricité Ql délivrée aux électrodes en fonction de la surface. Cette courbe est schématisée sur la figure 4.
Il suffit alors, après avoir appliqué le même profil de tension vl à une balancelle de surface inconnue, de mesurer la quantité d'électricité Qi délivrée aux électrodes et de reporter sur le graphe pour obtenir la surface de la balancelle (figure 4).
Cette courbe d'étalonnage que l'on utilise comme abaque peut être exploitée par tout système approprié, et peut, par exemple, être échantillonnée ou enregistrée par un système informatique ou similaire, car les données issues de l'étalonnage décrit ci-dessus peuvent être exploitées de façons diverses.
Ainsi, à la fin de la première phase, on connaît la surface S de la balancelle.
Or, on sait que l'épaisseur de la couche de peinture électrodéposée est une fonction de la quantité d'électricité
délivrée aux électrodes et de la surface de la balancelle, à
savoir e = --- .--- ou encore Q = k.e.S
k S

avec Q = quantité d'électricité nécessaire, k = constante connue, dépendant notamment de l'installation, e = épaisseur de revêtement souhaitée, S = surface immergée de la première électrode La constante k est une constante déterminée de manière connue par étalonnage du bain.

. ~.

Ainsi, la connaissance de la surface S permet de calculer aisément la quantité d'électricité Q nécessaire pour revêtir la pièce de l'épaisseur de peinture désirée.
Il ne reste alors plus qu'à délivrer aux électrodes cette quantité d'électricité Q, sachant qu'on leur a déjà
délivré dans la première phase la quantité d'électricité Ql.
On leur délivre donc, pendant la deuxième phase, la quantité
d'électricité Q2, telle que Q = Qi + Q2.
On peut délivrer cette quantité d'électricité Q2 de diverses façons.
Par exemple, une première manière de délivrer cette quantité d'électricité Q2 consiste simplement à prolonger la première phase en continuant d'appliquer aux électrodes la tension U1 jusqu'à ce que le coulombmètre mesure la quantité
d'électricité Q délivrée depuis le début du cycle (ou, s'il a été remis à zéro à la fin de la première phase, jusqu'à ce qu'il détecte la quantité d'électricité Q2). Dans ce cas, les cycles successifs ne sont pas de même durée puisque la durée du second cycle dépend de la surface de la balancelle présente dans le bain.
On va maintenant décrire une seconde manière de délivrer la quantité d'électricité Q2.
On a représenté sur la figure 3 une seconde phase permettant également de délivrer la quantité d'électricité
nécessaire.
Comme la première phase, cette seconde phase a une durée déterminée T2. Le cycle complet étant la somme des deux phases (T = Ti + T2).
Pendant cette seconde phase, on applique un second profil de tension V2 de valeur constante U2, cette tension étant déterminée à la fin de la première phase pour qu'à la fin du cycle la pièce présente un revêtement d'épaisseur souhaitée.
Cette tension U2 est déterminée à partir d'abaques obtenus par étalonnage.
Cet étalonnage s'effectue de la manière suivante.
Pour une quantité d'électricité Q1 mesurée pendant la première phase (et par voie de conséquence, pour une surface S déterminée), on applique, pendant la deuxième phase, une tension V2 de valeur constante U2 donnée. A l'issue de cette ~..
deuxième phase, on mesure la quantité d'électricité Q2 délivrée aux électrodes pendant cette deuxième phase. On reporte cette valeur en ordonnées sur un graphe, avec V2 = U2 en abscisses. On répète cet étalonnage avec pour Qi, d'autres valeurs de tension U2 constantes et on mesure les quantités d'électricité Q2 correspondantes. Les mesures de Q2 sont reportées sur le graphe en fonction des tensions U2 respectives en abscisses.
On obtient un graphe du type de celui représenté sur la 10 figure 5, avec les quantités d'électricité mesurées Q2 en ordonnées, et les valeurs de tension appliquées V2 = U2 en abscisses, ceci pour une quantité d'électricité Ql donnée (ce qui revient à dire pour une balancelle de surface S
déterminée).
Ensuite, on répète l'étalonnage précédent avec une valeur différente de quantité d'électricité Qi (c'est-à-dire pour une balancelle de surface différente), et on reporte sur un autre graphe les mesures de Q2 effectuées pour les tensions U2 respectives.
On obtient donc une série de graphes (similaires à celui de la figure 5) exprimant la quantité d'électricité Q2 en fonction de U2, et ce pour différentes quantités d'électricité Qi respectives connues (c'est-à-dire pour différentes surfaces S déterminées) et pour une deuxième phase de durée T2 connue.
Ainsi, pour une balancelle dont on connaît la valeur de la quantité d'électricité Qi reçue à l'issue de la première phase, et dont on a déterminé la surface S:
- on calcule d'après la formule précédente la quantité d'électricité totale Q à délivrer aux électrodes pour que le revêtement ait l'épaisseur désirée, - on en déduit la quantité d'électricité Q2 qu'il reste à délivrer aux électrodes (Q2 = Q - Qi), et - on reporte cette valeur de Q2 sur le graphe étalon respectif correspondant à Q1 pour obtenir la valeur de V2=U2 à appliquer pendant la seconde phase (figure 5).

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On a représenté sur la figure 3, en pointillés, d'autres valeurs de V2 = U2 à appliquer pendant la seconde phase, pour d'autres balancelles de surfaces différentes.
Cette seconde manière de procéder pour délivrer la quantité d'électricité Q nécessaire présente l'avantage suivant : la durée du second cycle est constante quelles que soient les surfaces des balancelles se succédant dans le bain. Par suite, le cycle complet a une durée fixe déterminée. Ceci permet de répondre aux impératifs de temps de cycle de la chaîne d'électrophorèse dont les étapes ont été décrites dans le préambule de la demande.
La durée de la première phase est choisie par l'homme de l'art de manière à ce que la mesure de la quantité
d'électricité Qi s'effectue avec une bonne précision permettant de différencier des balancelles de surfaces différentes.
L'étalonnage effectué de la manière exposée précédemment peut être utilisé au moyen des courbes décrites ou par tout moyen approprié, tel qu'un système électronique ou informatique.
L'étalonnage doit être effectué pour chaque site pour tenir compte des spécificités propres à chaque installation.
Cet étalonnage est facile à réaliser et est effectué
rapidement.
Avantageusement, le procédé de l'invention décrit ci-dessus peut-être automatisé par tout moyen approprié.
Bien entendu, les profils de tension réellement appliqués aux électrodes ne sont pas forcément aussi tranchés que ceux représentés sur les figures, et notamment lors du passage de V1 à V2.
De plus, tout autre profil de tension à appliquer pendant les deux phases peut être employé, l'essentiel étant, d'une part, de ne pas monter trop vite et trop fort en intensité et, d'autre part, que les profils employés pendant les cycles de dépose soient les mêmes que ceux qui ont servis à l'étalonnage.
C'est l'homme de l'art qui détermine par des expérimentations et des étalonnages les profils de tension qu'il convient d'appliquer afin d'obtenir la meilleure précision d'épaisseur déposée.

Claims

1. Procédé de régulation de l'épaisseur d'un revêtement électrodéposé sur une pièce métallique, ledit revêtement étant électriquement résistant et la pièce à revêtir formant une première électrode que l'on immerge dans un bain d'électrophorèse dans lequel une seconde électrode est immergée, caractérisé en ce que :
a) on applique entre les première et seconde électrodes, pendant une première durée déterminée T1, une première tension V1 de profil déterminé ;
b) on mesure la quantité d'électricité Q1 délivrée aux électrodes pendant ladite première durée T1;
c) on détermine, au moyen d'abaques, la surface immergée S de la première électrode, en fonction de la quantité d'électricité Q1 ;
d) on calcule la quantité d'électricité Q nécessaire à
revêtir la surface immergée S de la première électrode d'une couche de revêtement d'épaisseur e souhaitée, à partir de la formule Q = k . e . S, où Q est la quantité d'électricité nécessaire, k est une constante connue obtenue par étalonnage et dépendant notamment des caractéristiques de l'installation, e est l'épaisseur de revêtement souhaitée, et S est la surface immergée de la première électrode ;
e) on délivre aux électrodes la quantité d'électricité
Q2, avec Q2 = Q - Q1.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on délivre aux électrodes la quantité d'électricité Q2 par :
e1) détermination, au moyen d'abaques, d'une seconde tension V2 à appliquer entre les première et seconde électrodes pendant une seconde durée déterminée T2, en fonction de la surface immergée S
et de la quantité d'électricité Q;

e2) application entre les première et seconde électrodes, pendant la seconde durée T2, de cette seconde tension V2.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on délivre aux électrodes la quantité d'électricité Q2 par :
e1) détermination, au moyen d'abaques, d'une seconde durée T2 d'application de la première tension V1 entre les première et seconde électrodes, en fonction de la surface immergée S et de la quantité
d'électricité Q ;
e2) application, entre les première et seconde électrodes, de la première tension V1 pendant cette seconde durée T2.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on applique entre les première et seconde électrodes, une tension appropriée, jusqu'à délivrer aux électrodes la quantité d'électricité Q2.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que l'électrode formée par la pièce à
revêtir est la cathode.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, caractérisé en ce que les abaques sont archivés par tout système approprié et utilisés de manière automatique, notamment par un système informatique.