FR3110605A1 - Procede et installation de traitement de pieces metalliques par oxydation micro-arc - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé électrolytique de traitement de pièces en aluminium ou alliage d'aluminium par oxydation micro-arc dans lequel les pièces à traiter constituent une première électrode, comprenant les étapes suivantes :- fixer sur un outillage (100) au moins une pièce (3) à traiter et au moins une contre-électrode (4) de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre, et les relier électriquement aux bornes d'un générateur (5) apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale,- immerger l'outillage ainsi assemblé dans un bain électrolytique (2), et- soumettre ladite au moins une pièce à une suite de cycles de courant organisés en au moins deux séquences successives S1, S2, …, Sn de durée respective T1, T2, …, Tn, telles que T1 > T2 > … > Tn,- chaque séquence comprenant une série de cycles de courant identiques au sein de ladite séquence, - chaque cycle comportant une phase durant laquelle ladite pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité positive IP, de valeurs respectives IP1, IP2,…, IPn, et une phase durant laquelle ladite pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité négative IN, de valeurs respectives IN1, IN2,…, INn,- le rapport R = IN/IP ayant pour chacune des séquences des valeurs respectives R1, R2, …, Rn, telles que R1 < R2 < … < Rn. Une installation de traitement comprenant un outillage dédié est également revendiquée.
Description
La présente invention appartient au domaine des techniques de traitement électrochimique des métaux, et plus particulièrement au domaine des procédés pour la réalisation de revêtements protecteurs à la surface de pièces métalliques.
Elle a pour objet un procédé d'oxydation pour la fabrication d'un revêtement sur un substrat métallique, notamment en aluminium ou alliage d'aluminium. Elle a également pour objet une installation de traitement comprenant un outillage dédié, permettant le traitement de pièces pleines ou creuses.
On sait que l'aluminium et plus généralement les métaux présentant des propriétés de valve, ainsi que leurs alliages, possèdent une résistance mécanique intéressante au regard de leur faible poids. Ils sont de ce fait largement utilisés pour la fabrication de pièces devant subir de fortes contraintes de déformation, comme c'est le cas dans les industries mécaniques, l'aéronautique, la construction automobile, etc... Cependant, ces métaux ne sont pas particulièrement durs ni résistants aux agressions physico-chimiques, ce qui oblige à les protéger par des revêtements adaptés, afin d'accroître leurs propriétés de dureté, de résistance à la corrosion et à l'abrasion.
Différents procédés de revêtement reposant sur des processus électrolytiques sont connus. La plus répandue actuellement dans l'industrie est l’anodisation sulfurique, en raison de son faible coût de mise en œuvre (électrolyte, contrôle des paramètres) et de son large domaine d’utilisation. Cependant, les revêtements produits sont des oxydes amorphes, limités en épaisseur et ne présentant qu'une dureté moyenne (environ 500 Hv au maximum). En outre, certains électrolytes contiennent des composés particulièrement toxiques et désormais proscrits par la législation européenne REACH, comme le chrome VI.
On connaît aussi les procédés d'oxydation anodique par décharges de micro-arcs qui permettent d'obtenir des revêtements de type céramique offrant une protection contre l'abrasion sévère et la corrosion de pièces en métal. L'oxydation micro-arc (OMA, ou selon l'acronyme anglais MAO, aussi appelée PEO pour plasma electrolytic oxidation) consiste à immerger une pièce à traiter dans un bain électrolytique et à imposer une différence de potentiel entre la pièce (substrat) et une contre-électrode. L’énergie électrique imposée va provoquer des claquages diélectriques de la couche d’oxyde recouvrant naturellement le substrat et générer des canaux de décharge dans lesquels l'électrolyte s'engouffre, produisant un refroidissement brutal et la formation d'une couche d'oxyde. Le processus se manifeste par l’apparition de micro-décharges ou micro-arcs luminescents répartis sur toute la surface du substrat, ainsi que par un dégagement gazeux. Le résultat est la formation d'un revêtement croissant dans les deux directions (vers l'intérieur et vers l'extérieur) à partir de la surface du substrat.
Depuis les années 2000, divers procédés ont été développés jouant sur les paramètres de traitement, les principaux étant la fréquence du signal électrique, la densité du courant, la durée d'immersion des pièces dans le bain et la température, pour obtenir des revêtements plus résistants chimiquement et physiquement, et pour optimiser les conditions de fabrication, notamment la vitesse de production ou les dépenses énergétiques.
Par exemple, FR 2 808 291 propose un procédé micro-arc de revêtement d'un métal ayant des propriétés de semi-conducteur, dans lequel on applique aux électrodes une tension de signal de forme triangulaire ou trapézoïdale, engendrant un courant qui est contrôlé dans son intensité, sa forme et son rapport entre l'intensité positive et l'intensité négative, avec de plus un paramètre variable en fréquence.
FR 2 877 018 décrit un procédé d'oxydation par micro-arc pour la fabrication d'un revêtement de faible porosité sur des pièces en aluminium et en alliage d'aluminium. Pour ce faire, les pièces sont plongées dans un bain électrolytique dont la température est voisine de zéro et un courant électrique alternatif de tension supérieure à 600 V est appliqué. Une fusion puis un compactage se produit à la surface du substrat.
Dans FR 3 014 912, des pièces en alliages de niobium sont traitées par oxydation micro-arc pour améliorer leur résistance à la corrosion et à l'oxydation à hautes températures (supérieure à 1000°C). Les pièces sont soumises à une succession de cycles de courant comportant une phase où le courant est constant d'intensité positive, et une phase où le courant est constant d'intensité négative, et dans lesquels la quantité de charge positive et la quantité de charge négative sont dans un rapport de 0,8 à 1,6.
On sait que l'aluminium et ses alliages sont des matériaux de choix pour l'industrie, notamment aéronautique. Les pièces utilisées dans la construction des aéronefs sont soumises à des conditions limites sévères : milieux acides ou alcalins accentuant la corrosion, abrasion par frottement des pièces entre elles accrue par un environnement extérieur agressif du fait de la présence de sable et de poussières, forte variation des températures. Le revêtement de surface des pièces doit donc répondre à un cahier des charges très strict en termes de résistance mécanique et d'inertie chimique. La dureté et la résistance à l'usure sont recherchées en même temps qu'une haute résistance à la corrosion, une bonne cohésion et une adhésion parfaite au substrat. La tenue dans des gammes étendues de températures pouvant aller de -100°C à +300°C est impérative pour les applications aéronautiques.
Ces dernières années, pour répondre à de nouveaux défis technologiques, les exigences des constructeurs se sont accrues. Il existe donc un besoin de disposer de pièces en aluminium ou ses alliages, dotées de propriétés améliorées.
Le but de la présente invention est de répondre à ce besoin en proposant un procédé électrolytique d'oxydation micro-arc en vue d'obtenir un revêtement de haute performance de type céramique à la surface d'une pièce métallique, en particulier en aluminium ou en alliage d'aluminium. Un autre but de l'invention est de fournir un équipement conçu pour la mise en œuvre optimale de ce procédé sur divers types de pièces. En particulier, un objectif de l'invention est de permettre de traiter des pièces creuses tant sur leur face externe que sur leur face interne. Un autre but de l'invention est de réaliser des couches de grande dureté, ayant une épaisseur élevée et homogène sur toute la surface traitée. Un autre but de l'invention est de réduire le temps de croissance de la couche protectrice, tout en diminuant l'énergie électrique consommée et les coûts de production. En particulier, il est recherché une méthode qui permette de se dispenser d’étapes de pré-traitement et de post-traitement des pièces. Encore un but de l'invention est de disposer d'un procédé respectueux de l’environnement et se conformant à la règlementation en vigueur.
Les travaux réalisés par le demandeur l'ont conduit à développer un procédé de traitement électrochimique OMA des pièces à base d'aluminium mettant en jeu des paramètres électriques du processus d'oxydation micro-arc alliés à des paramètres conformationnels de l'outillage, notamment liés à l'agencement des électrodes entre elles, ce qui permet de définir et de contrôler les conditions de formation et la structure de la couche de protection. On peut ainsi optimiser les réactions physico-chimiques de transformation du métal constitutif de la pièce et produire des revêtements de forte épaisseur et de haute dureté, avec une porosité modulable.
Selon un premier aspect, la présente invention a pour objet un procédé électrolytique de traitement de surface de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium par oxydation micro-arc, dans lequel les pièces à traiter font fonction de première électrode (d'anode en l'occurrence), le procédé comprenant les étapes consistant à :
- fixer sur un outillage comportant un support au moins une pièce à traiter et au moins une contre-électrode de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre, et les relier électriquement aux bornes d'un générateur apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale,
- immerger l'outillage ainsi assemblé dans un bain électrolytique constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- soumettre ladite au moins une pièce à une suite de cycles de courant organisés en au moins deux séquences successives S1, S2, …, Sn ayant des durées respectives T1, T2, …, Tn,
- chaque séquence comprenant une série de cycles de courant identiques au sein de chaque séquence,
- chaque cycle comportant une phase durant laquelle la pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité positive IP, de valeurs respectives IP1, IP2,…, IPn identiques ou différentes, et une phase durant laquelle la pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité négative IN, de valeurs respectives IN1, IN2,…, INn identiques ou différentes,
- le rapport R = IN/IPayant pour chacune des séquences S1, S2, …, Sn des valeurs respectives R1, R2, …, Rn telles que R1 < R2 < … < Rn, et
- la durée de chacune desdites séquences étant telle que T1 > T2 > …> Tn.
- fixer sur un outillage comportant un support au moins une pièce à traiter et au moins une contre-électrode de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre, et les relier électriquement aux bornes d'un générateur apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale,
- immerger l'outillage ainsi assemblé dans un bain électrolytique constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- soumettre ladite au moins une pièce à une suite de cycles de courant organisés en au moins deux séquences successives S1, S2, …, Sn ayant des durées respectives T1, T2, …, Tn,
- chaque séquence comprenant une série de cycles de courant identiques au sein de chaque séquence,
- chaque cycle comportant une phase durant laquelle la pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité positive IP, de valeurs respectives IP1, IP2,…, IPn identiques ou différentes, et une phase durant laquelle la pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité négative IN, de valeurs respectives IN1, IN2,…, INn identiques ou différentes,
- le rapport R = IN/IPayant pour chacune des séquences S1, S2, …, Sn des valeurs respectives R1, R2, …, Rn telles que R1 < R2 < … < Rn, et
- la durée de chacune desdites séquences étant telle que T1 > T2 > …> Tn.
Les pièces traitées sont préalablement usinées à la forme et aux dimensions approchantes désirées. Elles peuvent avoir des formes très variées, bien que le plus souvent elles aient une géométrie allongée ou s'étendent selon un axe de révolution. Il s'agit généralement de pièces de taille petite ou moyenne, pouvant aller par exemple de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres de long, voire un mètre, ou davantage encore à condition de disposer des équipements de dimensions convenables. Lorsque les pièces sont de taille modérée, il est avantageux de traiter plusieurs d'entre elles en même temps au cours d'un même processus, avec un unique outillage, comme il sera exposé dans la suite. Toutefois, rien n'interdit de traiter une pièce après l'autre.
Chaque pièce est associée à une contre-électrode. Elles sont placées en regard l'une de l'autre, avec un écart déterminé entre elles, de sorte qu'une réaction micro-arc puisse avoir lieu. La pièce joue le rôle d'anode tandis que la contre-électrode est la cathode. On utilise une contre-électrode de forme, c'est-à-dire une électrode qui adopte une conformation complémentaire de la pièce à traiter, par sa forme et sa dimension, afin de créer des arcs électriques au plus proche de la pièce. Les contre-électrodes de forme sont avantageusement en acier inoxydable austénitique, se présentant à l'état de tôle pleine, ou de grille afin de faciliter le dégagement gazeux.
Le procédé ici décrit convient particulièrement bien à des pièces faites à base d'aluminium. De nombreux alliages à base d'aluminium peuvent être choisis selon l'usage prévu, tels que ceux contenant du cuivre (appartenant à la série 2000), du magnésium (appartenant à la série 5000), ou encore des alliages de fonderie (par exemple AU5NKZr, AS7G06). Le procédé peut être adapté à d'autres métaux tels que le titane, le magnésium, le zirconium, etc.
Après installation des pièces à traiter sur le support, l'outillage complet est immergé dans un électrolyte aqueux. Les pièces sont alors exposées à une énergie électrique alternative produite par un générateur. Le traitement se compose de n séquences indépendantes réalisées successivement, ayant un rapport des intensités IN/IPcroissant et une durée décroissante. Le nombre de séquences est défini en fonction des propriétés du revêtement que l'on souhaite obtenir. Il peut aller de deux à une dizaine de séquences successives, voire jusqu'à trente séquences.
Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, celui-ci comprend trois séquences S1, S2 et S3 ayant un rapport R, de valeurs respectives R1, R2 et R3, telles que 0,50 ≤ R1 < R2 < R3 ≤ 0,75.
Selon un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, les valeurs R1, R2 et R3 des trois séquences S1, S2 et S3 peuvent être telles que 0,55 ≤ R1 ≤ 0,60 ; 0,60 ≤ R2 ≤ 0,65 ; et 0,65 ≤ R3 ≤ 0,70.
Les trois séquences S1, S2 et S3 indépendantes composant le procédé jouent un rôle différent. Durant la séquence S1, une croissance de la couche initiale est observée. Dans le cadre du procédé inventif, on peut augmenter l’épaisseur de cette couche initiale en allongeant la durée de la séquence S1 ou en élevant la valeur de l’intensité positive IP1. Au cours de la séquence S2, une densification de la couche a lieu, ce qui accroît la dureté du revêtement. Enfin, la séquence S3 a pour effet principal de lisser la couche et de rendre homogène l’épaisseur du revêtement sur l’ensemble de la zone traitée. En termes analytiques, la couche obtenue après traitement est composée de deux phases : une phase cristalline composée d’oxyde cristallisé sous différentes formes (alumine α, β,…) ; et une phase amorphe composée principalement d’éléments provenant de l’électrolyte. En effet, au cours du procédé, deux phénomènes ont lieu. Dans un premier temps, l’aluminium est oxydé ce qui aboutit à la formation d’une phase cristalline puis dans un second temps, la fusion des éléments provenant de l’électrolyte par réactions chimiques produit une phase amorphe.
Selon une caractéristique particulière du procédé objet de l'invention, la durée de chacune des séquences S1, S2, … Sn rapportée à la durée totale du traitement est telle que 60% ≥ T1 > T2 > …> Tn ≥ 10%.
De manière générale, la durée totale de traitement sera définie en fonction de l'épaisseur totale souhaitée. À titre d'exemple, pour obtenir des revêtements ayant une épaisseur comprise entre 80 µm et 120 µm, le traitement dure de 45 minutes à 2 heures en fonction des différents alliages.
Selon un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, il comprend trois séquences S1, S2 et S3 dont la durée, respectivement T1, T2 et T3, rapportée à la durée totale du traitement est telle que 55% ≥ T1 ≥ 40% ; 40% ≥ T2 ≥ 25%, et 25% ≥ T3 ≥ 15%.
Il est intéressant pour les revêtements de faible épaisseur (inférieure à 100 µm) de privilégier la séquence S1 par rapport à la séquence S2, avec des durées telles que 55% ≥ T1 ≥ 45% ; 35% ≥ T2 ≥ 25%, et 25% ≥ T3 ≥ 15%. Au contraire, pour les revêtements de forte épaisseur (supérieure à 100 µm), la séquence S2 peut être relativement plus longue, avec par exemple des durées telles que 50% ≥ T1 ≥ 40% ; 40% ≥ T2 ≥ 30%, et 25% ≥ T3 ≥ 15%.
De manière originale, le procédé selon l'invention est réalisé à une même et unique fréquence au sein de chaque séquence, mais aussi identique pour toutes les séquences. Ceci contribue à obtenir un revêtement homogène et uniforme en épaisseur et composition. La fréquence imposée par le générateur peut aller de 80 Hz à 400 Hz. Le nombre de micro-arcs générés par unité de surface croissant avec la fréquence, on emploie les fréquences les plus hautes lorsqu'on souhaite créer des couches de densité et d’épaisseur élevées. Ainsi, dans le procédé selon l'invention, les séquences S1, S2, … Sn sont de préférence réalisées à une même fréquence, choisie dans un intervalle allant de 80 Hz et 400 Hz.
On sait que les réactions à l'œuvre dans le processus d'oxydation anodique sont très exothermiques, mais que l'élévation de température du milieu réactionnel est néfaste à la bonne réalisation du revêtement. C'est pourquoi la température de l'électrolyte est contrôlée régulièrement, de préférence en continu, et un système de réfrigération permet une régulation stricte de la température du bain pendant la durée totale du traitement pour la maintenir dans l'intervalle de consigne. Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, la température du bain électrolytique est maintenue entre 20°C et 30°C par un dispositif de régulation. De préférence, on cherche à conserver une température entre 20°C et 25°C.
Le procédé selon l'invention utilise un électrolyte aqueux à de faibles concentrations ioniques. Il est respectueux de l'environnement et recyclable. En effet, il ne met en œuvre ni chrome VI, ni d'autres polluants. Il est de préférence composé de silicate de sodium (Na2SiO3) dont la concentration peut aller de 1 g/l à 10 g/l, et d'hydroxyde de potassium (KOH) dont la concentration peut aller de 1 g/l à 5 g/l, de l'eau déminéralisée étant utilisée comme solvant. Le silicate de sodium est choisi pour son rôle favorisant l'augmentation de la cinétique de croissance et l'homogénéité de la couche d'oxyde en formation. De plus, du fait de sa température de fusion relativement basse, il joue le rôle de colmatant pour les couches anodiques poreuses. L'hydroxyde de potassium est quant à lui choisi en raison de sa capacité à assurer la conductivité électrique de la solution, ainsi qu'une bonne dissolution du substrat. Le pH de l'électrolyte peut, par exemple, être compris entre 10,0 et 12,0 et sa conductivité peut aller de 2,0 mS/cm à 4,0 mS/cm.
Ainsi, selon une caractéristique du procédé objet de la présente invention, le bain électrolytique est une solution aqueuse de silicate de sodium à une concentration de 1 g/l à 10 g/l et d'hydroxyde de potassium à une concentration de 1 g/l à 5 g/l. L'utilisation d'un électrolyte à base de silicate rend ce procédé compatible avec toutes les normes environnementales actuelles.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre pour des pièces nécessitant un traitement de protection sur toute leur surface ou bien sur une partie de celles-ci seulement. Dans ce dernier cas, il est impératif d'isoler les zones à traiter de celles qui doivent rester en l'état. C'est pourquoi, les zones ne devant pas être traitées doivent être correctement protégées à l'aide de masques réalisés typiquement en matériaux polymères. Ces masques permettent aussi de canaliser les micro-arcs créés entre la pièce et l’électrode, ce qui permet d'obtenir un traitement homogène de la zone à traiter. Un autre avantage des masques est d'isoler et de protéger contre l’oxydation les contacts électriques de la zone à traiter.
Il est essentiel que l'électrolyte soit confiné au niveau des zones à traiter et ne puisse pas s'insinuer entre la pièce et les éléments de masquage. C'est pourquoi, afin d'assurer l’étanchéité des masques vis-à-vis de l'électrolyte, des joints en silicone sont placés à proximité des zones de jonction, entre ladite au moins une pièce et les éléments de masquage, dans des gorges de maintien. Avant de monter l’outillage complet, chaque pièce sera dotée d'éléments de masquage de forme adaptée, assortis de joints, pour recouvrir et enserrer les zones de la pièce ne devant pas être traitées. Une fois cette étape effectuée, la pièce et son masque (ou ses masques) peuvent être montés sur le support et dans l’outillage de traitement. Les gorges de maintien peuvent être prévues sur l'élément de masquage. À noter que des joints sont également utiles pour étanchéifier les interstices entre des éléments de masquage et le support, ou entre deux parties structurelles du support. Dans ce cas, une gorge peut être pratiquée sur l'élément de masquage, sur le support, ou sur les deux.
Ainsi, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on recouvre par des éléments de masquage étanches à l'électrolyte une ou plusieurs zones non concernées par le traitement de ladite au moins une pièce, avant assemblage sur ledit support, des joints installés à la jonction entre ladite au moins une pièce et lesdits éléments de masquage assurant l'étanchéité vis-à-vis de l'électrolyte.
Les joints peuvent être utilisés sous la forme de plaques, de cordes ou de joints toriques. Ils sont dimensionnés précisément en rapport avec la pièce, par exemple par une découpe au jet d'eau. Les joints, généralement en silicone, peuvent se présenter sous différents formats en fonction de leur emplacement et de leur l’utilisation. À titre d'exemple, on peut utiliser des joints plats d'épaisseur comprise entre 1 mm et 4 mm ; des cordes de diamètre de tore de 1 mm à 5 mm, ou des joints toriques de diamètre spécifique.
Les joints toriques et les cordes sont insérés dans des gorges ayant une profondeur moindre que les joints eux-mêmes, de sorte que ces derniers font saillie par rapport à la surface du masque (avant l'assemblage). Ils sont donc insérés partiellement, par exemple de 50% à 70% de leur épaisseur, dans la gorge les recevant. On a constaté, de manière contre-intuitive, que cela permet de plaquer efficacement les éléments de masquage aux zones des pièces et une fois assemblés, d'éviter toute infiltration d'électrolyte.
Ainsi, de manière originale, les joints sont choisis parmi des joints toriques, des cordes ou des bandes, et sont montés par insertion de 50% à 70% de leur épaisseur dans des gorges dont lesdits éléments de masquage sont pourvus.
Par ailleurs, on fait en sorte que la zone à traiter, même si celle-ci est de forme complexe, soit écartée d'une distance sensiblement constante de sa contre-électrode associée. De la sorte, les lignes équipotentielles sont en concordance avec la forme de la pièce, ce qui favorise la régularité de l'épaisseur du revêtement et diminue les pertes de courant dans l'électrolyte. L'efficacité du procédé en est accrue car on limite ainsi la consommation électrique en augmentant le rendement de la réaction de formation de la couche.
C'est pourquoi, selon une caractéristique du procédé, ladite au moins une pièce comprend une zone à traiter dont la surface est placée en regard de ladite contre-électrode de forme, laquelle adopte une conformation complémentaire de celle de ladite zone à traiter, la surface de la zone à traiter se trouvant en tout point à une distance radiale De de ladite contre-électrode comprise entre 5 mm et 50 mm, et mieux encore entre 5 mm et 20 mm.
Le procédé électrolytique selon l'invention permet de traiter efficacement des pièces de diverses formes et dimensions, et en particulier des pièces allongées, pleines ou tubulaires. Il est expressément convenu que sous le vocable "pièces allongées", on entend des pièces dont la géométrie peut être définie par rapport à un axe longitudinal. De telles pièces sont le plus souvent de longueur supérieure à leur largeur ou diamètre, mais il est aussi possible de traiter des pièces de diamètre (ou de largeur) supérieur à leur longueur. Il est en outre précisé que s'il est essentiellement question de pièces allongées dans la suite de la présente description, le procédé permet de traiter toutes géométries de pièces.
Les pièces concernées peuvent être notamment des pièces présentant une symétrie de révolution par rapport à leur axe longitudinal, sans forcément être strictement cylindriques. Des pièces allongées peuvent recevoir un traitement de leur surface externe. Il est alors préconisé, selon l'invention, d'utiliser des contre-électrodes de forme cylindriques au centre desquelles on installe les pièces à traiter. Il convient alors de mettre en œuvre des contre-électrodes dont le diamètre est prévu pour qu'une certaine distance existe avec la surface de la pièce à traiter placée coaxialement à l'intérieur de ladite contre-électrode.
C'est pourquoi, dans une variante du procédé selon l'invention dans laquelle les pièces à traiter adoptent une forme s'étendant selon un axe longitudinal, les contre-électrodes adoptent la forme de cylindres creux entourant chacun une desdites pièces à une distance radiale De, constante ou variable, comprise entre 5 mm et 50 mm. Si la pièce à traiter a une surface strictement cylindrique, chaque pièce s'étendant selon un axe longitudinal confondu avec l’axe longitudinal de sa contre-électrode, la distance De est constante. Par contre, des pièces ayant une surface externe plus complexe, par exemple cintrée, ou comportant un élément en retrait ou faisant sailli, la distance De entre cette surface et la contre-électrode sera variable, tout en restant dans l'intervalle préconisé. Il est précisé que cette modalité concerne aussi bien le traitement de l'intégralité de la surface des pièces ou d'une partie de celle-ci, par exemple de leur partie médiane tandis que les parties d'extrémité peuvent être masquées et rester indemnes de traitement.
De manière particulièrement avantageuse, des pièces tubulaires creuses, c'est-à-dire présentant un évidement axial, peuvent également subir un traitement de leur surface. En général, ces pièces présentent une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal, sans forcément être strictement cylindriques. Si la surface externe doit être revêtue, on procèdera comme décrit ci-dessus. Par contre, si l'on souhaite traiter la surface interne définissant ledit évidement axial, il est préconisé, selon l'invention, d'utiliser des contre-électrodes de forme cylindriques qu'on installe au centre des pièces à traiter. Il convient alors de mettre en œuvre des contre-électrodes dont le diamètre est prévu pour qu'une certaine distance existe avec la surface interne de la pièce à traiter à l'intérieur de laquelle est placée coaxialement la contre-électrode.
C'est pourquoi, dans une variante du procédé selon l'invention dans laquelle les pièces à traiter adoptent la forme d'un tube creux s'étendant selon un axe longitudinal, les contre-électrodes adoptent la forme de cylindres, chacune étant entourée par une desdites pièces à une distance radiale De, constante ou variable, comprise entre 5 mm et 50 mm. Si la pièce à traiter a une surface interne strictement cylindrique, chaque pièce s'étendant selon un axe longitudinal confondu avec l’axe longitudinal de sa contre-électrode, la distance De est constante. Sinon, la distance De entre cette surface interne et la contre-électrode est variable, tout en restant dans l'intervalle préconisé.
Une fois que les pièces à traiter sont fixées au support chacune en regard d'une contre-électrode de forme comme décrit plus haut, le support est assemblé avec les autres organes de l'outillage. Celui-ci est commodément conçu de manière à assurer la connexion électrique entre les pièces et le générateur, à l'aide d'éléments de contact électrique en métal conducteur. La continuité électrique peut être complétée via un relais contact, si besoin selon l'agencement de l'outillage.
On comprend à la lecture de ce qui précède que le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre de manière automatisée à l'aide d'une unité centrale comprenant des moyens de contrôle et de pilotage préalablement programmés, en particulier en ce qui concerne les paramètres des cycles composant les différentes séquences, leur nombre et leur durée. C'est pourquoi, dans le procédé objet de la présente invention, les paramètres de chaque séquence S1, S2, …, Sn sont contrôlés et pilotés par une unité centrale associée au générateur. De plus, un suivi en temps réel des paramètres du processus est assuré. Le générateur dispose avantageusement de différents programmes destinés à traiter tous les alliages d’aluminium, permettant de faire varier les paramètres de traitement en fonction de la nuance de l’alliage, de la géométrie des pièces traitées et des propriétés de la couche souhaitée.
Il est notamment recommandé de contrôler périodiquement la composition de l'électrolyte, pour suivre les taux des constituants ainsi que des polluants (aluminium, silicates, fer et cuivre), ce qui est réalisé par des techniques d'analyse appropriées connues de l'homme du métier. En effet, l’efficacité du procédé est impactée lorsque l’on dépasse une concentration seuil en polluants. Le pH et la conductivité sont également surveillés. Tous les moyens connus des personnes appartenant au domaine technique peuvent être utilisés.
Le procédé d’oxydation micro-arc qui vient d'être décrit est applicable à tous les alliages d’aluminium (corroyés et fonderie) et aux pièces en aluminium obtenues par des techniques d’impression 3D ou de fabrication additive.
Il peut être accompagné d'étapes préparatoires et d'étapes ultérieures permettant la fabrication complète de la pièce, constituant une gamme opératoire pouvant comprendre par exemple : un dégraissage (facultatif), le traitement d'OMA, un rinçage et un séchage.
Il peut aussi être employé comme une étape dans un processus comportant une série de traitements par différentes techniques, respectant de préférence elles aussi les normes environnementales actuelles. Parmi les gammes multitraitements, il est possible grâce au procédé selon l'invention de réaliser un traitement partiel d'oxydation micro-arc de pièces, sur des zones bien définies et délimitées, et de faire subir aux zones non traitées par OMA un autre traitement, par exemple de type anodisation ou conversion chimique, en fonction de l'utilisation finale à laquelle la pièce est destinée.
Il faut souligner parmi les avantages remarquables de cette technique, qu'elle ne nécessite pas d’étape de pré-traitement ni de post-traitement, ce qui facilite grandement sa mise en œuvre. Elle ne nécessite pas de préparation des surfaces contrairement aux anodisations classiques. Il n’est pas nécessaire d’activer la surface par un décapage pour permettre la formation de la couche. Il est toutefois conseillé pour une exploitation industrielle du procédé, de réaliser un dégraissage des pièces avant traitement afin d’éliminer les résidus d’huile de coupe qui pourraient polluer le bain. De manière particulièrement intéressante, l'oxydation micro-arc exonère de réaliser un colmatage de la couche pour des revêtements épais (supérieurs à 80 µm) pour obtenir de bonnes propriétés de résistance à la corrosion. Elle limite l’emploi de produits chimiques (en particulier ceux utilisés lors du décapage pour les anodisations classiques) et la consommation d’eau (faible nombre de cuves sur la chaine de traitement).
La mise en œuvre du procédé selon l'invention implique de canaliser efficacement l'énergie sur les zones que l'on souhaite soumettre au traitement d'oxydation micro-arc, sous peine de ne pas atteindre les performances requises. Comme exposé plus haut, le traitement électrochimique par OMA des pièces à base d'aluminium met en jeu des paramètres électriques du processus d'oxydation micro-arc alliés à des paramètres conformationnels de l'outillage, notamment liés à l'agencement des électrodes entre elles, permettant d'optimiser les réactions physico-chimiques de transformation du métal constitutif de la pièce et de produire des revêtements de forte épaisseur et de haute dureté, avec une porosité modulable. Les électrodes doivent être assemblées sur un support qui les maintient fixes dans une configuration bien définie permettant d'obtenir un revêtement uniforme et épais sur toute la surface traitée. Une installation spécialement destinée à la mise en œuvre du procédé de traitement électrolytique selon l'invention a ainsi été développé, qui répond aux exigences liées à l'outillage et à l'agencement des électrodes, mais aussi à d'autres paramètres, tels que la température au cours du processus, qui permettent de définir et de contrôler les conditions de formation et la structure de la couche de protection et interviennent dans la qualité du revêtement obtenu.
Ainsi selon un second aspect, la présente invention concerne une installation de traitement électrolytique de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium par un procédé d'oxydation micro-arc dans lequel les pièces à traiter font fonction de première électrode, ladite installation comprenant :
- une cuve apte à contenir un bain électrolytique constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- un outillage comportant un support et au moins une contre-électrode de forme, ledit support étant doté de moyens pour l'assemblage d'au moins une pièce à traiter avec une desdites contre-électrodes de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre,
- des moyens pour maintenir ledit assemblage fixe en immersion dans le bain électrolytique,
- un système de régulation de la température du bain électrolytique,
- un générateur comportant des moyens de connexion électrique aux électrodes dudit assemblage, ledit générateur étant apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale et comprenant des moyens pour soumettre ladite au moins une pièce à un traitement de surface par un procédé selon l'une des revendications précédentes.
- une cuve apte à contenir un bain électrolytique constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- un outillage comportant un support et au moins une contre-électrode de forme, ledit support étant doté de moyens pour l'assemblage d'au moins une pièce à traiter avec une desdites contre-électrodes de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre,
- des moyens pour maintenir ledit assemblage fixe en immersion dans le bain électrolytique,
- un système de régulation de la température du bain électrolytique,
- un générateur comportant des moyens de connexion électrique aux électrodes dudit assemblage, ledit générateur étant apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale et comprenant des moyens pour soumettre ladite au moins une pièce à un traitement de surface par un procédé selon l'une des revendications précédentes.
L'installation selon l'invention permet de traiter efficacement des pièces de diverses formes et dimensions, et en particulier des pièces plus ou moins allongées, qui peuvent être pleines ou creuses et requérir un traitement de leur surface externe, ou le cas échéant de leur surface interne. L'outillage utilisé dans le cadre de l'installation objet de l'invention doit être adapté en fonction de l'une ou de l'autre de ces configurations.
Dans la description qui va suivre, on considère l'installation telle qu'elle se présente durant son fonctionnement. La cuve contient le bain électrolytique dans lequel l'outillage est plongé. Également, les pièces à traitées sont installées sur le support. En effet, bien que les pièces ne soient pas à proprement parler constitutives de l'outillage, il est indispensable de les mentionner dans la mesure où elles constituent des anodes qui interagissent avec les contre-électrodes. En outre, pour chaque série de pièces à traiter, l'outillage doit être assemblé avec les pièces et il sera démonté en fin de processus pour les récupérer. Le montage y compris des pièces à traiter, se fait dans un certain ordre, qui peut différer d'un type d'outillage à l'autre. La description d'une installation comprenant un outillage "vide" qui n'a aucune réalité pratique, ne permettrait pas de comprendre clairement l'enseignement technique de la présente invention.
Selon un premier mode de réalisation, l'invention vise une installation pour le traitement de la surface externe de pièces s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre une première et une seconde extrémités, dans laquelle l'outillage comprend :
- un support comprenant un socle dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la première extrémité d'une pièce, un châssis supérieur dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la seconde extrémité de ladite pièce, le socle et le châssis étant maintenus ensembledans deux plans parallèles entre eux par une série de tiges dotées de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes adoptant la forme de cylindres creux d'axe longitudinal Ac, aptes chacune à recevoir une pièce dans sa lumière centrale, chaque contre-électrode étant fixée au socle du support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que chacune desdites pièces entoure une contre-électrode à une distance radiale De déterminée de celle-ci, constante ou variable, de préférence comprise entre 5 mm et 50 mm,
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur.
- un support comprenant un socle dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la première extrémité d'une pièce, un châssis supérieur dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la seconde extrémité de ladite pièce, le socle et le châssis étant maintenus ensembledans deux plans parallèles entre eux par une série de tiges dotées de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes adoptant la forme de cylindres creux d'axe longitudinal Ac, aptes chacune à recevoir une pièce dans sa lumière centrale, chaque contre-électrode étant fixée au socle du support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que chacune desdites pièces entoure une contre-électrode à une distance radiale De déterminée de celle-ci, constante ou variable, de préférence comprise entre 5 mm et 50 mm,
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur.
Les pièces allongées que l'on installe dans le support de l'outillage peuvent être formées d'une barre pleine présentant une symétrie de révolution par rapport à leur axe longitudinal, de section droite circulaire ou sensiblement circulaire, de dimension constante ou variable dans la longueur de la pièce. Lorsque l'installation est en fonctionnement, les pièces à traiter sont fixées chacune axialement dans la lumière centrale d'une contre-électrode de forme cylindrique.
Le socle et le châssis sont maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par une série de tiges, par exemple des tiges filetés dont les extrémités sont engagées dans des taraudages situés en vis-à-vis en différents points en bordure du socle et du châssis. Les pièces à traiter et les contre-électrodes associées se déploient entre le socle et le châssis du support, de sorte que les axes Ac et Ap des électrodes les coupent orthogonalement. Les extrémités des pièces sont fixées d'une part au socle et d'autre part au châssis, tandis que les contre-électrodes sont fixées au seul socle. Les tiges comportent des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap. Par exemple, dans le cas de tiges filetées, un simple vissage peut être effectué pour comprimer les pièces et les bloquer dans leur position respective.
Différents moyens de fixation des pièces peuvent être envisagés. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le support comprend un socle dans lequel sont ménagés des logements borgnes aptes à recevoir en coulissement chacun la première extrémité d'une pièce, un châssis supérieur comportant des percements en regard de chaque logement, aptes à recevoir chacun la seconde extrémité de ladite pièce,soit directement, soit par l'intermédiaire d'un élément de jonction. Cet élément de jonction peut faire également fonction de masque.
Dans cette configuration, quand plusieurs pièces sont montées sur le support, il peut être intéressant de prévoir les connexions électriques selon un schéma groupé. Pour ce faire, dans un mode de réalisation de l'installation selon l'invention,le socle est formé d'une plaque supérieure et d'une plaque inférieure entre lesquelles est enserrée une platine en métal électriquement conducteur, la plaque supérieure comportant lesdits logements dont le fond est fermé par ladite platine, et la plaque inférieure étant munie de plots de contact électrique entre la platine et les moyens de connexion au générateur. La platine constitue alors un moyen de butée de sorte que toutes les pièces, une fois insérées dans leur logement respectif, sont en contact avec la platine, elle-même étant connectée au générateur, conformément aux règles de l'art connues.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'invention vise une installation pour le traitement de la surface intérieure de pièces tubulaires creuses s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre deux bordures d'extrémité, dans laquelle l'outillage comprend :
- un support comprenant un caisson parallélépipédique formé de deux parois latérales, deux parois de façade, d'un socle et d'un capot, les faces internes du socle et du capot étant dotées d'emplacements circulaires aptes chacun à recevoir en appui une bordure d'extrémité d'une pièce tubulaire creuse,le socle et le capot étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par au moins une tige coopérant avec des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes adoptant la forme de cylindres d'axe Ac, aptes chacune à être placée dans la lumière d'une desdites pièces tubulaires, chaque contre-électrode étant fixée au support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que ladite pièce entoure la contre-électrode correspondante à une distance radiale De de celle-ci, constante ou variable, de préférence comprise entre 5 mm et 50 mm, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur.
- un support comprenant un caisson parallélépipédique formé de deux parois latérales, deux parois de façade, d'un socle et d'un capot, les faces internes du socle et du capot étant dotées d'emplacements circulaires aptes chacun à recevoir en appui une bordure d'extrémité d'une pièce tubulaire creuse,le socle et le capot étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par au moins une tige coopérant avec des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes adoptant la forme de cylindres d'axe Ac, aptes chacune à être placée dans la lumière d'une desdites pièces tubulaires, chaque contre-électrode étant fixée au support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que ladite pièce entoure la contre-électrode correspondante à une distance radiale De de celle-ci, constante ou variable, de préférence comprise entre 5 mm et 50 mm, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur.
Les pièces tubulaires creuses que l'on installe dans le caisson de l'outillage peuvent être formées d'un manchon plus ou moins long présentant une symétrie de révolution par rapport à leur axe longitudinal, de section droite circulaire ou sensiblement circulaire, de dimension constante ou variable dans la longueur de la pièce. Lorsque l'installation est en fonctionnement, les pièces à traiter sont fixées au support, chacune contenant une contre-électrode de forme cylindrique placée axialement dans sa lumière centrale. Les bordures d'extrémité de la pièce prennent appui contre la face interne du socle et du capot, respectivement, au niveau d'un emplacement prévu à cet effet. Cet emplacement peut être une simple plage circulaire plane, ou bien être délimité par un relief approprié, tel qu'un épaulement ou un décrochement, de sorte que la pièce soit exactement positionnée et ne puisse pas glisser latéralement durant les diverses manipulations de l'outillage.
Le caisson du support est formé de quatre parois latérales et de façade, d'un socle et d'un capot définissant un parallélépipède rectangle. Le socle et le capot sont maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par une ou plusieurs tiges coopérant avec des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap. Par exemple, selon l'invention, chaque emplacement circulaire du socle et du capot peut être traversé en son centre par une tige, chacune dotée d'un segment d'extrémité inférieur et d'un segment d'extrémité supérieur s'étendant de part et d'autre à l'extérieur du caisson et coopérant avec lesdits moyens de blocage en compression desdites pièces.
Les moyens de blocage sont dans ce cas extérieurs au caisson. Selon un mode de réalisation intéressant, les moyens de blocage coopérant avec chaque tige comprennent une barrette inférieure et une barrette supérieure prenant appui contre les faces externes respectives du socle et du capot, lesdites barrettes comportant un trou taraudé dans lequel sont engagés les segments d'extrémité, filetés, de ladite tige.
Cet agencement apporte plusieurs avantages. En effet, d'une part, les barrettes peuvent prendre appui sur le socle et le capot à distance de la tige qui les traverse, tout en restant solidaires de celle-ci. De ce fait, le socle et le capot peuvent comporter des ouvertures relativement larges autour de l'axe de la tige (sans excéder toutefois le diamètre des emplacements d'appui des pièces à traiter). Ces ouvertures autorisent alors une circulation de l'électrolyte entre l'espace intérieur des pièces et le bain, ce qui est indispensable compte tenu de l'élévation importante de la température se produisant au niveau des électrodes.
D'autre part, la disposition des tiges centrées sur les emplacements circulaires destinés à recevoir en appui chacun une bordure d'extrémité d'une pièce tubulaire creuse a pour corollaire que les tiges sont placées coaxiales avec les électrodes (pièces et contre-électrodes), ce qui peut être mis à profit pour associer à chaque pièce à traiter, une tige portant une contre-électrode.
Ainsi, dans un mode de réalisation avantageux, chacune des tiges est dotée d'un segment médian fileté, et chaque contre-électrode comporte un perçage taraudé pratiqué selon son axe Ac dans lequel est engagée ladite tige par vissage, de sorte que ladite contre-électrode est maintenue coaxialement dans la lumière centrale d'une pièce à une hauteur déterminée. La contre-électrode est alors parfaitement centrée dans l'axe de la pièce à traiter. L'opérateur peut en outre aisément régler la position verticale de la contre-électrode sur la tige, de façon à la faire coïncider parfaitement avec la zone à traiter de la pièce correspondante.
Quel que soit le type de support utilisé dans l'outillage de traitement et l'orientation interne ou externe des surfaces à traiter, selon une caractéristique préférée de l'invention, les contre-électrodes adoptent chacune une conformation complémentaire de celle de la pièce à traiter ou d'une zone de la pièce devant être traitée, placée en regard de ladite contre-électrode, la surface de ladite pièce ou zone à traiter se trouvant en tout point à une distance radiale De, constante ou variable, de ladite contre-électrode comprise entre 5 mm et 50 mm.
Comme on l'a vu, la température du bain doit être contrôlée et maintenue pendant toute la durée du traitement dans un intervalle de consigne, que l'on souhaite voir compris selon l'invention entre 20°C et 30°C. L'installation de traitement électrolytique est donc équipée d'un système de refroidissement comprenant de manière classique une boucle de recirculation externe dotée d'un échangeur de chaleur et d'une pompe entrainant la circulation d'une fraction de solution électrolytique via ledit échangeur de chaleur, étant entendu que le processus est continu de sorte à brasser au cours du processus un volume total de solution supérieur à celui se trouvant dans la cuve. Des sondes de température sont placées en différents points de la boucle, notamment à l'entrée et à la sortie de la cuve. Il est préférable que la cuve soit significativement plus volumineuse que l'outillage de traitement, pour permettre une régulation thermique progressive sans à-coups. Cependant, il s'est avéré durant les essais expérimentaux qu'une forte montée en température pouvait avoir lieu dans l'environnement réactionnel proche des électrodes, ce qui est préjudiciable à la qualité du revêtement. Ce phénomène est d'autant plus marqué que les pièces et les contre-électrodes associées sont proches les unes des autres et placées dans une configuration où l'outillage crée un obstacle physique au déplacement de l'électrolyte. Il est apparu nécessaire de remédier à ce problème sans quoi les efforts d'amélioration de la technologie seraient vains. C'est pourquoi, le système de régulation de la température est équipé d'un dispositif destiné à refroidir activement la solution électrolytique, y compris à proximité des électrodes dans le volume de l'outillage, que celui-ci soient clos ou ouvert.
Ainsi, l'installation de traitement électrolytique selon l'invention comprend un système de régulation de la température du bain électrolytique comportant une boucle de recirculation externe dotée d'un échangeur de chaleur, de capteurs de température et d'une pompe apte à imposer la circulation permanente d'une fraction de solution électrolytique via ledit échangeur de chaleur, entre un orifice de sortie pratiqué à la base de la cuve à proximité d'une première paroi latérale de ladite cuve, et un déversoir placé au-dessus de la cuve à faible distance d'une deuxième paroi latérale de la cuve opposée à ladite première paroi, le déversoir comprenant une rampe de distribution horizontale comportant une pluralité de buses par lesquelles de la solution électrolytique tempérée peut s'écouler.
Le bain s'échauffant par le processus d'OMA est en permanence refroidi par la fraction de solution tempérée (dont la température est régulée à une valeur de consigne) qui s'y déverse en permanence après avoir traversé l'échangeur de chaleur. Les capteurs (ou sondes) de température, placés de préférence en entrée et en sortie de la cuve, sont reliés à un système de pilotage automatique de la pompe. La position de l'orifice de sortie de la solution opposée à celle du déversoir induit un mouvement du fluide dans la cuve, voire une agitation, qui favorise l'homogénéité de la température du bain, y compris au voisinage de l'outillage. Cet effet est renforcé par une configuration judicieuse du déversoir, selon laquelle la solution tempérée est déversée par plusieurs buses réparties sur une rampe de distribution, de préférence horizontale. La rampe peut par exemple comporter de cinq à dix buses, alignées et réparties le long de la rampe, de sorte que la solution tempérée s'écoule dans un intervalle occupant au moins 80% de la longueur de la deuxième paroi latérale.
Lorsque l'outillage fait appel à un support à caisson, le système de régulation thermique ci-dessus ne permet pas de maintenir une température inférieure à 30°C à proximité des électrodes, ce qui dégrade significativement les performances du procédé de traitement. Or, dans ce type d'outillage dédié au traitement de la surface interne de pièces tubulaires, la lumière des pièces à traiter (l'espace intérieur) ne communique pas avec l'espace intermédiaire, situé entre les pièces et confiné entre les parois du caisson. Ce problème est surmonté simultanément par deux dispositions concomitantes.
D'une part, l'espace intérieur des pièces peut être mis en communication directe avec le bain, par le biais d'ouvertures pratiquées dans le socle et dans le capot, autour de chaque tige de fixation. En effet, grâce à l'ensemble des dispositions décrites plus haut, le caisson peut ne pas être totalement fermé : le socle et le capot peuvent comporter des ouvertures autour de chaque tige de fixation, qui autorisent une circulation de l'électrolyte à travers l'espace intérieur des pièces. Ces ouvertures peuvent être relativement larges, avec un diamètre quasiment aussi grands que le diamètre des pièces tubulaires.
En ce qui concerne l'espace intermédiaire, un dispositif permet de remédier au problème d'échauffement en orientant spécifiquement vers le caisson une partie de la solution refroidie. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le système de régulation de la température du bain électrolytique comprend un dispositif de régulation de la température dans le caisson, lequel comprend au moins un trou d'entrée de solution électrolytique ménagé dans une paroi du caisson (incluant parois latérales, capot et socle), relié à une buse par un conduit, et au moins un trou d'évacuation ménagé à distance dans une autre paroi dudit caisson. Le nombre de trous d'entrée reliés à une buse peut être apprécié par l'opérateur, en fonction notamment du nombre de pièces installées dans l'outillage et de la taille des pièces.
Selon un mode de réalisation préféré, le caisson comporte au moins un trou d'entrée en partie inférieure du caisson et au moins un trou de sortie en partie supérieure du caisson. La solution a ainsi une circulation forcée et turbulente, à même de refroidir l'environnement réactionnel autour des électrodes.
Il est également avantageux que l'outillage équipé des pièces à traiter soit plongé dans la cuve en étant entouré de toute part par le bain électrolytique, de façon à favoriser tant les échanges chimiques que thermiques. C'est pourquoi, selon une caractéristique préférée de l'installation objet de l'invention, les moyens de maintien en immersion dans le bain électrolytique dont est doté l'outillage comprennent des bras de suspension fixés latéralement au support, lesdits bras étant munis de crochets aptes à s'engager sur une barre courant au-dessus de la cuve.
L'oxydation micro-arc réalisée par le procédé et à l'aide de l'outillage décrits ci-dessus permet d’obtenir des revêtements de grande dureté, notamment comprise entre 1000 Hv et 1900 Hv, avec un choix d'épaisseurs possibles d'une amplitude étendue, pouvant être de seulement 20 µm et atteindre une valeur élevée jusqu’à 200 µm, suivant l’alliage traité. Les couches d’oxyde de métal semi-cristallines formées sur les pièces traitées ont des propriétés comparables à celles des céramiques, avec une faible porosité et une dureté nettement supérieure à celle des revêtements obtenus par oxydation anodique conventionnelle. Elles sont en particulier performantes au regard de la résistance à l'usure, de la protection contre la corrosion et de l'isolation électrique.
Suivant les applications visées, le revêtement obtenu conformément à la présente invention, peut être utilisé de différentes manières.
- Il peut être employé brut pour permettre l’accroche d’un post traitement comme une peinture grâce à la rugosité.
- Il peut être poli sablé ou subir un microbillage plus ou moins poussé pour enlever la partie friable et superficielle de la couche.
- Il peut aussi être usiné mécaniquement par rodage ou par rectification pour enlever la totalité de la partie friable de la couche. Un outil adapté (tel qu'un outil diamant pour la rectification) devra être utilisé pour travailler ce revêtement particulièrement dur. Une finition avec des pierres pourra être réalisée pour abaisser encore la rugosité de surface (Ra inférieur à 0,1).
- Il peut être employé brut pour permettre l’accroche d’un post traitement comme une peinture grâce à la rugosité.
- Il peut être poli sablé ou subir un microbillage plus ou moins poussé pour enlever la partie friable et superficielle de la couche.
- Il peut aussi être usiné mécaniquement par rodage ou par rectification pour enlever la totalité de la partie friable de la couche. Un outil adapté (tel qu'un outil diamant pour la rectification) devra être utilisé pour travailler ce revêtement particulièrement dur. Une finition avec des pierres pourra être réalisée pour abaisser encore la rugosité de surface (Ra inférieur à 0,1).
La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront, à la lumière de la description qui va être faite de différentes variantes de réalisation, en relation avec les figures annexées.
EXEMPLE 1 : Présentation générale d'une installation d'OMA
Une installation conçue pour mettre en œuvre le procédé objet de la présente invention, destiné au traitement de surface par oxydation micro-arc de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium est représenté en . Elle comprend une cuve 1 apte à contenir un électrolyte aqueux 2 dans lequel sont immergées au moins une pièce à traiter 3 jouant le rôle d'anode et au moins une contre-électrode 4 servant de cathode. Les électrodes sont électriquement reliées aux bornes du générateur 5, qui peut comprendre typiquement un transformateur et un dispositif de régulation de l'énergie électrique. Le générateur 5 intègre une unité centrale de contrôle et de pilotage des paramètres de chaque séquence du procédé.
Chaque paire d'électrodes, constituée d'une pièce à traiter 3 et de la contre-électrode 4 associée, forme un dipôle qui est assemblé dans un outillage 100 et maintenu fixe à l'aide d'un support 10 dans une configuration bien définie permettant d’obtenir un revêtement homogène et uniforme sur toute la surface traitée. L'outillage 100 et le support 10 seront décrits plus loin en détail.
L'équipement comprend également un dispositif 6 de mesure et de régulation de la température du bain électrolytique relié à une installation de production de froid qui sera décrit plus loin.
EXEMPLE 2 :
Paramètres électriques
Le générateur utilisé conformément à l'invention délivre un signal bipolaire pulsé. Il est piloté par une unité centrale contenant différents programmes dans lesquels on fixe les paramètres de traitement en fonction de la nuance de l’alliage, de la surface de la pièce traitée et des propriétés de la couche souhaitées. De nombreux paramètres peuvent varier et en particulier la fréquence du signal, la durée totale du traitement, le courant imposé dans sa forme et la durée de ses différentes phases. Cette flexibilité des paramètres électriques permet de traiter tous les alliages d’aluminium, corroyés ou de fonderie.
Le signal électrique est alternatif dissymétrique, de forme trapézoïdale. L'allure du signal électrique en sortie du générateur est représentée à la , avec des paramètres électriques définissant sa forme tels que donnés dans le Tableau 1.
Le signal est conservé identique durant toute la durée d'une séquence donnée, avec un rapport R = IN /IP constant. Dans un traitement conforme à l'invention, plusieurs séquences se déroulent l'une à la suite de l'autre, avec une valeur R croissant et une durée décroissante à chaque changement de séquence. La schématise ce processus.
| Paramètres | Définitions |
| D1 | Phase de montée du courant positif - Durée nécessaire pour atteindre la valeur crête de courant positif |
| D2 | Phase de courant constant - Durée du pallier de courant de crête positif |
| D3 | Phase de descente du courant positif - Durée nécessaire pour atteindre une valeur de courant nulle en sortie |
| D4 | Phase de courant constant nul - Durée du pallier intermédiaire |
| D5 | Phase de montée du courant négatif - Durée nécessaire pour atteindre la valeur crête de courant négatif |
| D6 | Phase de courant constant - Durée du pallier de courant de crête négatif |
| D7 | Phase de descente du courant négatif - Durée nécessaire pour atteindre une valeur de courant nulle en sortie |
| D8 | Phase de courant constant nul – Durée du pallier final |
| IP | Valeur crête du courant positif en sortie |
| IN | Valeur crête du courant négatif en sortie |
| R | Quotient entre les courants de crête négatif et positif (IN/IP) |
| F | Fréquence du courant en sortie |
EXEMPLE 3 : Outillage pour le traitement de la surface externe de pièces
Les figures 5 et 6 illustrent un exemple d'outillage appliqué au cas particulier du traitement de pièces 3 pleines allongées, présentant une symétrie de révolution par rapport à leur axe longitudinal Ap, et dont seule la partie médiane 31 doit être recouverte d'une couche protectrice à l'exclusion des extrémités 32, 33. Cette partie médiane est cintrée.
L’outillage 100 est ici conçu pour traiter huit pièces simultanément. Il est constitué du support 10 de base rectangulaire et de deux bras de suspension 101 fixés latéralement et comportant chacun un crochet 102. Les crochets 102 permettent de suspendre l'outillage 100 à une barre montée au-dessus de la cuve 1.
Le support 10 comporte un socle 11 surmonté d'un châssis 12, qui sont maintenus ensemble dans deux plans distants, parallèles entre eux, par une série de tiges 40, avec un écartement adapté aux pièces 3 à maintenir. Ces éléments sont faits en polymères de synthèse résistants aux températures de fonctionnement. Par exemple, le socle 11 et le châssis 12 peuvent être en PPH (homopolymère de polypropylène) et les tiges 40 en résine époxy.
Les pièces 3 à traiter sont installées perpendiculairement entre le socle 11 et le châssis 12, réparties à distance les unes des autres. La zone à traiter est la partie médiane 31, qui représente ici 60% de la longueur totale de la pièce (comprise en général entre 50% et 100%). Chaque pièce 3 est associée à une contre-électrode 4 qui adopte une forme cylindrique et entoure complètement la partie médiane 31 de la pièce 3, à une distance radiale De variant entre De' et De" selon l'axe longitudinal. Les contre-électrodes 4 ont un diamètre tel que les distances De' et De" sont comprises entre 5 mm et 20 mm. Elles jouent ainsi le rôle d’électrodes de forme 4 afin de créer les arcs électriques au plus proche de la pièce 3. Elles sont faites en acier inoxydable austénitique doté d'une résistance mécanique élevée, en tôle pleine ou en grille afin de faciliter le dégagement gazeux. Elles sont fixées par l'intermédiaire de pattes 23 en acier soudées à leur base, et maintenues sur le socle 11 par vissage.
Une première extrémité 32 des pièces 3 est fixée au niveau du socle 11. Celui-ci est formé de deux plaques, l'une inférieure 13 et l'autre supérieure 14, entre lesquelles est insérée une platine 15 en alliage d'aluminium, de préférence de la série 2000 dont la conductivité électrique est accrue par la présence de cuivre dans sa composition. La platine 15 s'étend dans la majeure partie du socle 11, en y restant toutefois confinée, les plaques 13, 14 étant jointes en périphérie du socle 11. La plaque supérieure 14 est percée de huit logements 16 ayant une paroi latérale dimensionnée pour épouser la forme de la première extrémité 32 d'une pièce 3. Le fond des logements 16 est obturé par la platine 15, de sorte que les pièces 3 viennent en butée, au contact de la platine 15 lorsque leur extrémité 32 est engagée dans un logement 16. Des relais électriques 17, assurent le contact entre la platine 15 et le générateur 5. Les logements 16 font office de masque empêchant l'oxydation de la première extrémité 32 des pièces 3. Pour protéger une surface plus importante de l'oxydation, un élément masquant peut être ajouté, par exemple sous la forme d'une rondelle 24 d'épaisseur voulue assujettie sur la plaque 14 à la base de chaque pièce 3. L'élément masquant est fait d'un polymère résistant à la température, par exemple en polyacétal (polyoxyméthylène).
La seconde extrémité 33 des pièces 3 est fixée au niveau du châssis 12. Celui-ci peut adopter la forme d'une plaque ou d'une grille, mais est ici avantageusement conformé en deux croix à quatre branches 18. Le croisement et la partie terminale des branches 18 accueillent chacun une tige 40 filetée. Chaque branche 18 surplombe une pièce 3 et comporte un percement 19 dans l'axe de ladite pièce. Un élément de jonction 20 réalise une liaison rigide entre la seconde extrémité 33 de la pièce 3 et le percement 19 tout en faisant fonction d'élément de masquage. Il comporte un capuchon 21 cylindrique qui coiffe exactement la seconde extrémité 33 de la pièce 3. Le capuchon 21 comporte un téton 22 de dimension complémentaire du percement 19 dans lequel il vient s'encastrer. L'élément de jonction 20 peut être par exemple en polyacétal.
L'assemblage comporte en outre un certain nombre de joints (25) pour assurer l’étanchéité et éviter les infiltrations d'électrolyte, afin de préserver de l'oxydation les parties des pièces qui ne doivent pas réagir, ainsi que les organes et contacts électriques. L’étanchéité se fait classiquement via des joints découpés aux dimensions et à la forme voulue, en silicone choisi ici avec des duretés comprises entre 60 et 80 shore. L’utilisation de joints en silicone rouge résistants à la température et parfaitement non conducteur est indispensable. Les joints 25 sont insérés dans des gorges 26 prévues à cet effet en veillant à ce qu’ils dépassent d’environ 1/3 de leur épaisseur. Ceci permet de plaquer deux éléments entre eux lors de l'assemblage de l'outillage.
Une fois les pièces 3 installées dans l'outillage, celui-ci est suspendu à une barre au-dessus de la cuve 1 par les crochets 102, de manière qu'il soit plongé dans le bain électrolytique. Les relais électriques 17 et la contre-électrode sont reliés au circuit du générateur, le système de régulation de la température du bain est mis en route et le traitement est initié.
EXEMPLE 4 : Outillage pour le traitement de la surface interne d'une pièce tubulaire
La illustre un exemple d'outillage appliqué au cas particulier du traitement d'une pièce 3 tubulaire cylindrique d'axe longitudinal Ap, de section droite circulaire. La pièce 3 s'étend entre une bordure d'extrémité inférieure 42 et une bordure d'extrémité supérieure 43. Seule la surface interne de la pièce doit être traitée.
L’outillage 100 est ici conçu pour traiter une pièce unique. Il est constitué du support 10 formé d'un caisson 110 de base rectangulaire et de deux bras de suspension 101 fixés latéralement qui comportent chacun un crochet 102. Les crochets 102 permettent de suspendre l'outillage 100 à une barre montée au-dessus de la cuve 1.
Le caisson 110, de forme parallélépipédique comporte deux parois latérales 112, deux parois de façade 114 (avant et arrière par convention), un socle 11 formant la base, et un couvercle ou capot 113. Le socle 11 et le capot 113 comportent chacun une ouverture 115 circulaire, centrée. Ils sont maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par la tige 40 d'axe At, qui traverse le caisson 110 verticalement en s'étendant de part et d'autre à l'extérieur de celui-ci. La tige 40 comporte un segment d'extrémité inférieur 44 et un segment d'extrémité supérieur 45, filetés, fixés respectivement à une barrette inférieure 46 et à une barrette supérieure 47 au niveau d'un trou taraudé. Les barrettes 46, 47 prennent appui contre les faces externes respectives du socle 11 et du capot 113. Leur serrage permet ainsi de bloquer en compression les parois de façade 114 entre le socle et le capot, mais également de maintenir la pièce à traiter et la contre-électrode, comme exposé ci-après.
Les faces internes du socle 11 et du capot 113 sont dotées d'emplacements circulaires prévus pour recevoir en appui chacun une bordure d'extrémité 42, 43 de la pièce 3. Le pourtour de l'ouverture circulaire 115 du capot 113 comporte un épaulement 116 recevant la bordure d'extrémité supérieure 43 de la pièce 3. De la même manière, le pourtour de l'ouverture circulaire 115 du socle 11 comporte un épaulement (non représenté) recevant la bordure d'extrémité inférieure 42 de la pièce 3. Celle-ci est ainsi maintenue radialement avant le serrage de la tige 40 sur les barrettes 46, 47. On note que la hauteur des parois de façade 114 est prévue en fonction de la taille de la pièce 3, tandis que les dimensions des parois latérales 112 ne sont pas critiques.
L'outillage comprend une contre-électrode 4 de forme de cylindrique d'axe longitudinal Ac, qui est placée dans la lumière de la pièce 3 tubulaire. La contre-électrode 4 comporte un perçage 49 taraudé, pratiqué selon son axe Ac, qui peut recevoir la tige 40. Cette dernière comporte un filetage, sur au moins un segment médian 48, de sorte qu'elle maintient la contre-électrode 4 par simple vissage. L'opérateur peut régler la hauteur voulue en vissant plus ou moins. L'axe Ac de la contre-électrode 4 est ainsi confondu avec l'axe At de la tige 40, lui-même confondu avec l'axe Ap de la pièce 3. La contre-électrode 4 est de ce fait exactement centrée, et se trouve en tous points à une distance radiale De la surface interne de ladite pièce 3 de valeur constante, ici choisie entre 10 mm et 20 mm.
La connexion électrique de la pièce 3 est ici ménagée dans le socle 11. Des éléments de contact 51 en aluminium sont accolés à la base de la pièce 3, par exemple en deux sites avoisinant la bordure d'extrémité 42. Les contacts 51 sont configurés pour recevoir un plot 53 de connexion, maintenu ici par vissage. Ces plots 53 sont reliés au circuit du générateur 5. La partie supérieure des contacts 51 est isolée de l'électrolyte par un masque 52 de protection.
Une fois la pièce 3 installée dans l'outillage, celui-ci est suspendu à une barre au-dessus de la cuve 1 par les crochets 102, de manière qu'il soit plongé dans le bain électrolytique. Les plots 53 et la contre-électrode sont reliés au circuit électrique du générateur, le système de régulation de la température du bain est mis en route et le traitement est initié.
EXEMPLE 5 : Outillage pour le traitement de la surface interne de deux pièces tubulaires
Les figures 9 et 10 illustrent un exemple d'outillage appliqué au cas particulier du traitement de deux pièces 3 tubulaires cylindriques d'axe longitudinal Ap' et Ap", de section droite circulaire, dont seule la surface interne doit être traitée.
L'agencement général est identique à celui de l'outillage présenté à l'exemple précédent, avec un caisson 110 de base rectangulaire équipé de deux bras de suspension 101 fixés latéralement qui comportent chacun un crochet 102 de suspension à une barre montée au-dessus de la cuve 1. Le socle 11 et le capot 113 du caisson 110 comportent chacun deux ouvertures 115 circulaires en vis-à-vis, dont le pourtour est aménagé pour recevoir une bordure d'extrémité 42, 43 d'une pièce 3 à traiter. Deux tiges 40 d'axe At' et At" traversent le caisson 110 verticalement, et sont fixées chacune par des barrettes inférieure 46 et supérieure 47. Une contre-électrode 4 est montée sur chaque tige 40 par vissage, comme précédemment. Des éléments de contact 51 en aluminium sont accolés à la base de chacune des pièces 3. Une fois les pièces 3 installée dans l'outillage 100, celui-ci est suspendu à une barre au-dessus de la cuve 1 par les crochets 102, de manière à être immergé dans le bain électrolytique. Les électrodes sont reliées au circuit électrique du générateur, le système de régulation de la température du bain est mis en route et le traitement est initié.
EXEMPLE 6 : Système de régulation de la température dans l'outillage
L'installation de traitement électrolytique dans laquelle sont placés les outillages tels que décrits aux exemples précédents comprend un système de régulation de la température du bain électrolytique 2, tel que représenté en . Il comporte une boucle de recirculation 200 externe permettant la circulation de l'électrolyte entre un orifice de sortie 201 pratiqué à la base de la cuve 1, à proximité d'une première paroi latérale de ladite cuve, et un déversoir 202 placé au-dessus de la cuve 1 à faible distance d'une deuxième paroi latérale de la cuve 1, et opposée à la première paroi. Un échangeur de chaleur 230, par exemple un échangeur à plaque, de type connu, est monté sur la boucle 200. Deux capteurs de température 221 sont installés sur la boucle 200, l'un juste après la sortie de la cuve 1, et l'autre juste avant le déversoir 202. Une pompe 220 entraine la circulation d'une fraction de solution électrolytique à un rythme imposé par un processeur recevant les données de températures relevées par les capteurs 221, par exemple tel que le volume de solution de la cuve a circulé en 1 heure. Le déversoir comprend une rampe 203 de distribution montée horizontalement au-dessus de la cuve 1. La rampe 203 se présente sous la forme d'un tube fermés à ses extrémités et débouchant dans une pluralité de buses 204, réparties dans sa longueur par lesquelles de la solution électrolytique tempérée peut s'écouler. Cet écoulement le long de la deuxième paroi de la cuve 1 crée un mouvement du fluide qui favorise le flux à travers la cuve 1 et homogénéise les températures.
Lorsque l'outillage 100 met en œuvre un caisson 110, un dispositif supplémentaire est utilisé pour forcer la circulation de l'électrolyte dans l'espace clos situé entre les pièces 3 et les parois du caisson 110. Un trou d'entrée 205 est prévu dans le socle 11 du caisson 110 et un trou d'évacuation 207 est ménagé dans le capot 113, éloigné du trou d'entrée 205. Un conduit 206 relie une des buses 204 au trou d'entrée 205, de sorte qu'une partie de l'électrolyte retournant dans le bain est envoyée directement dans le caisson 110, provoquant une circulation dirigée dans le caisson. On réduit ainsi significativement le gradient de température autour des pièces 3.
EXEMPLE 7 : Caractéristiques des revêtements obtenus sur alliages d’aluminium
Le procédé d'oxydation micro-arc comportant trois séquences successives a été mis en œuvre sur des alliages à base d'aluminium, en variant les paramètres électriques de traitement. Les revêtements obtenus sur les différents substrats ont été caractérisés.
Structures et
propriétés des revêtements
L'épaisseur du revêtement peut varier de 20 µm à 200 µm en fonction des paramètres de traitement appliqués. Il se forme ordinairement pour moitié vers l’extérieur et pour moitié vers l’intérieur du substrat métallique. La montre l'aspect que présente la section d'un revêtement formé sur un substrat 500 en alliage d’aluminium, avec une couche fonctionnelle dense 501, de 100 µm d'épaisseur, et une couche superficielle poreuse 502 de 60 µm d'épaisseur. Il s'organise en deux couches de structure nettement différente :
- au plus proche du substrat, une couche fonctionnelle dense qui occupe environ 2/3 de la couche totale et qui est constituée de phase cristalline composée d’oxydes cristallisés sous différentes formes. Par exemple, un alliage d’oxyde d'aluminium Al2O3cristallise sous forme de corindon ;
- en position externe, une couche superficielle qui occupe environ 1/3 de la couche totale. Elle est poreuse et friable. Elle est constituée majoritairement de phases amorphes composées principalement d’éléments provenant de l’électrolyte. Elle contient donc moins de phase cristalline que la couche dense.
- au plus proche du substrat, une couche fonctionnelle dense qui occupe environ 2/3 de la couche totale et qui est constituée de phase cristalline composée d’oxydes cristallisés sous différentes formes. Par exemple, un alliage d’oxyde d'aluminium Al2O3cristallise sous forme de corindon ;
- en position externe, une couche superficielle qui occupe environ 1/3 de la couche totale. Elle est poreuse et friable. Elle est constituée majoritairement de phases amorphes composées principalement d’éléments provenant de l’électrolyte. Elle contient donc moins de phase cristalline que la couche dense.
Du fait de la friabilité de la couche superficielle, le revêtement peut subir aisément une reprise mécanique (environ 50 % de la couche totale), ce qui permet d’obtenir une couche amorphe fine dont la dureté est celle de la couche dense. Cette propriété est recherchée dans certaines applications, telles que la fabrication de corps de vanne, flasques, carters de vérin …
La composition du revêtement formé dépend des éléments d’alliage du substrat, des éléments constituants l’électrolyte (nature et concentration) et des paramètres électriques de traitement. Suivant les paramètres de traitement choisis, la vitesse de formation de la couche varie entre 1 µm/mn et 5 µm/mn et l’épaisseur finale varie entre 20 µm et 200 µm. La possibilité d’obtenir de fortes épaisseurs est un avantage notable car cela facilite les opérations de rectification ultérieures des pièces et permet par conséquent, de respecter des cotes serrées.
Dureté: Le procédé objet de l'invention permet d’atteindre des duretés très élevées, de l’ordre de 1000 Hv à 1900 Hv suivant l’alliage d’aluminium traité, soit quatre fois plus qu’avec une anodisation dure (OAD).
Résistance à la corrosion: La résistance à la corrosion a aussi été testée. La tenue au brouillard salin s'est avérée supérieure à 1000 heures (pour des épaisseurs de revêtements de 80 µm et suivant les alliages d'aluminium traités).
Usure: Des essais tribologiques effectués sur un revêtement de 95 µm d’épaisseur (rectifié) n’ont montré aucun signe d’usure (< 1 µm). À titre de comparaison, le même essai a été réalisé sur un revêtement d’épaisseur 35 µm (rectifié) produit par OAD, cette technique étant celle qui offre jusqu'à présent les meilleures performances en termes de résistance aux frottements et à l’usure en industrie. À l'issue du test, la profondeur d’usure du revêtement est de 100%, le substrat en aluminium est atteint. Ceci démontre la forte résistance aux frottements et à l’usure du revêtement obtenu par le procédé d'OMA selon l'invention par rapport au procédé de référence par OAD.
Adhérence: Une bonne adhérence et cohésion de la couche sur le substrat sont observées.
Résistance en température: Le revêtement présente une excellente stabilité en température de -110°C à 300°C qu'on peut attribuer à sa structure cristalline. En particulier, le revêtement est résistant et stable à haute température. En effet, un test à la flamme (résistance au feu) a montré que lorsque que la température de fusion du substrat en aluminium est atteinte, il se dégrade tandis que le revêtement résiste. (La température de fusion de l’aluminium est ici le facteur limitant).
Rugosité: La rugosité du revêtement varie en fonction de l’épaisseur mais aussi des paramètres de traitement et de l’électrolyte utilisé. Plus l’épaisseur de la couche est importante, plus la rugosité est élevée. Elle peut être modifiée par un traitement complémentaire, tel que microbillage, rodage, rectification … que l'homme du métier sait choisir et mettre en œuvre en fonction de l'application visée. La valeur de l'écart moyen arithmétique Ra mesurant la rugosité est par exemple, pour un alliage d'aluminium de type 2618 A revêtu d'une couche protectrice selon l'invention :
- pour une couche brute de 80 µm, Ra = 4,5 µm - 5 µm
- pour une couche brute de 120 µm, Ra = 5,5 µm - 6 µm
- après microbillage, Ra = 2,5 µm – 3,5 µm (pour une épaisseur brute comprise entre 80 µm et 200 µm)
- après rectification, Ra = environ 0,15 µm et peut aller jusqu’à 0,2 µm (pour une épaisseur brute comprise entre 80 µm et 200 µm).
- pour une couche brute de 80 µm, Ra = 4,5 µm - 5 µm
- pour une couche brute de 120 µm, Ra = 5,5 µm - 6 µm
- après microbillage, Ra = 2,5 µm – 3,5 µm (pour une épaisseur brute comprise entre 80 µm et 200 µm)
- après rectification, Ra = environ 0,15 µm et peut aller jusqu’à 0,2 µm (pour une épaisseur brute comprise entre 80 µm et 200 µm).
EXEMPLE 8 : Production d'un revêtement fin sur alliage aluminium-cuivre
On se propose ici d'élaborer un revêtement d'épaisseur inférieure à 100 µm sur un alliage Al-Cu, du type des alliages 2024 (selon la notation de l'Aluminium Association-USA) ou Al Cu4Mg1 (selon les normes européennes), qui comprennent du cuivre comme élément d'alliage principal. Leur composition est Al : base ; Cuivre : 4,4 ; Mg : 1,6 ; Mn : 0,6.
Une pièce en alliage d'aluminium 2024 a été soumise à un traitement d'OMA composé de trois séquences S1, S2 et S3, en appliquant les paramètres suivants :
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65%
- T1 = 15 mn ; T2 = 10 mn ; T3 = 5 mn (temps de traitement total = 30 mn)
- Fréquence des trois séquences : 100 Hz
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65%
- T1 = 15 mn ; T2 = 10 mn ; T3 = 5 mn (temps de traitement total = 30 mn)
- Fréquence des trois séquences : 100 Hz
Le revêtement obtenu a une épaisseur de 50 µm ± 10% (moyenne sur 5 éprouvettes). On détermine le facteur E/T qui est égal à la vitesse de croissance du revêtement (épaisseur totale obtenue / durée totale du traitement). Il est d'environ 1,7 µm/mn.
Après caractérisation, le revêtement présente les propriétés suivantes :
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale, ce qui est faible pour un revêtement OMA. Ceci est avantageux en termes de propriété de résistance à l’abrasion et à l'usure ;
- une dureté comprise entre 1300 HV et 1600 Hv (moyenne de 1456 ± 50 Hv sur les 5 éprouvettes). À titre de comparaison, la dureté après traitement par OAD est comprise entre 326 Hv et 348 Hv (avec une moyenne de 336 ± 8 Hv).
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale, ce qui est faible pour un revêtement OMA. Ceci est avantageux en termes de propriété de résistance à l’abrasion et à l'usure ;
- une dureté comprise entre 1300 HV et 1600 Hv (moyenne de 1456 ± 50 Hv sur les 5 éprouvettes). À titre de comparaison, la dureté après traitement par OAD est comprise entre 326 Hv et 348 Hv (avec une moyenne de 336 ± 8 Hv).
EXEMPLE 9 : Production d'un revêtement épais sur alliage Aluminium-Cuivre
Un revêtement supérieur à 100 µm a été élaboré sur un alliage Al-Cu, du même type que précédemment. Une pièce a été soumise à un traitement d'OMA composé de trois séquences S1, S2 et S3, en appliquant les paramètres suivants :
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65%
- T1 = 40 mn ; T2 = 30 mn ; T3 = 20 mn (temps de traitement total = 90 mn)
- Fréquence des trois séquences : 100 Hz
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65%
- T1 = 40 mn ; T2 = 30 mn ; T3 = 20 mn (temps de traitement total = 90 mn)
- Fréquence des trois séquences : 100 Hz
Le revêtement obtenu a une épaisseur de 150 µm ± 10% (moyenne sur 5 éprouvettes). Le facteur E/T est d'environ 1,7 µm/mn.
Après caractérisation, le revêtement présente les propriétés suivantes :
- une tenue au brouillard salin supérieure à 500 h ;
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale. C'est peu pour un revêtement OMA et particulièrement intéressant pour les propriétés de résistance et d'usure ;
- une dureté comprise entre 1500 et 1900 Hv, (moyenne de 1697 ± 115 Hv sur les 5 éprouvettes).
- une tenue au brouillard salin supérieure à 500 h ;
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale. C'est peu pour un revêtement OMA et particulièrement intéressant pour les propriétés de résistance et d'usure ;
- une dureté comprise entre 1500 et 1900 Hv, (moyenne de 1697 ± 115 Hv sur les 5 éprouvettes).
EXEMPLE 10 : Production d'un revêtement épais sur alliage Aluminium-Zinc
Il s'agit dans cet exemple d'élaborer un revêtement d'épaisseur supérieure à 100 µm sur un alliage aluminium-zinc, du type des alliages désignés 7175 (selon la notation de l'Aluminium Association-USA) ou AlZn5,5MgCu (selon les normes européennes) qui ont le zinc comme élément d'alliage principal. Leur composition est Al : base ; Zn : 5,6 ; Cr : 0,23 ; Cu : 1,6 ; Mg : 2,5.
Une pièce d'un alliage d'aluminium 7175 a été soumise à un traitement d'OMA composé de trois séquences, en appliquant les paramètres suivants :
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65% ;
- T1 = 30 mn ; T2 = 20 mn ; T3 = 10 mn (temps de traitement total = 60 mn) ;
- Fréquence des trois séquences : 200 Hz.
- R1 = 60% ; R2 = 62% ; R3 = 65% ;
- T1 = 30 mn ; T2 = 20 mn ; T3 = 10 mn (temps de traitement total = 60 mn) ;
- Fréquence des trois séquences : 200 Hz.
Le revêtement obtenu a une épaisseur de 150 µm ± 10% (moyenne sur 6 éprouvettes). Le facteur E/T est d'environ 2,5 µm/mn.
Après caractérisation, le revêtement présente les propriétés suivantes :
- une tenue au brouillard salin supérieure à 500 h ;
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale ;
- une dureté comprise entre 1500 Hv et 1800 Hv (moyenne de 1623 ± 100 Hv sur 6 éprouvettes).
Après caractérisation, le revêtement présente les propriétés suivantes :
- une tenue au brouillard salin supérieure à 500 h ;
- une perte de masse inférieure à 40% de l’épaisseur totale initiale ;
- une dureté comprise entre 1500 Hv et 1800 Hv (moyenne de 1623 ± 100 Hv sur 6 éprouvettes).
Claims (26)
- Procédé électrolytique de traitement de surface de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium par oxydation micro-arc, dans lequel les pièces à traiter font fonction de première électrode, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
- fixer sur un outillage (100) comportant un support (10) au moins une pièce (3) à traiter et au moins une contre-électrode (4) de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre, et les relier électriquement aux bornes d'un générateur (5) apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale,
- immerger l'outillage ainsi assemblé dans un bain électrolytique (2) constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- soumettre ladite au moins une pièce à une suite de cycles de courant organisés en au moins deux séquences successives S1, S2, …, Sn de durée respective T1, T2, …, Tn,
- chaque séquence comprenant une série de cycles de courant identiques au sein de ladite séquence,
- chaque cycle comportant une phase durant laquelle ladite pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité positive IP, de valeurs respectives IP1, IP2,…, IPn identiques ou différentes, et une phase durant laquelle ladite pièce est traversée par un courant de crête constant d'intensité négative IN, de valeurs respectives IN1, IN2,…, INn identiques ou différentes,
- le rapport R = IN/IPayant pour chacune des séquences S1, S2, …, Sn des valeurs respectives R1, R2, …, Rn, telles que R1 < R2 < … < Rn, et
- la durée de chacune desdites séquences étant telle que T1>T2>…>Tn. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois séquences S1, S2 et S3 ayant un rapport R de valeurs respectives R1, R2 et R3 telles que 0,50 ≤ R1 < R2 < R3 ≤ 0,75.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les valeurs R1, R2 et R3 des trois séquences S1, S2 et S3, sont telles que 0,55 ≤ R1 ≤ 0,60 ; 0,60 ≤ R2 ≤ 0,65 ; et 0,65 ≤ R3 ≤ 0,70.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de chacune des séquences S1, S2,…, Sn rapportée à la durée totale du traitement est telle que 60% ≥ T1 > T2 > …> Tn ≥ 10%.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend trois séquences S1, S2 et S3 dont la durée, respectivement T1, T2 et T3, rapportée à la durée totale du traitement est telle que 55% ≥ T1 ≥ 40% ; 40% ≥ T2 ≥ 25%, et 25% ≥ T3 ≥ 15%.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les séquences S1, S2, …, Sn sont réalisées à une même fréquence, choisie dans un intervalle allant de 80 Hz et 400 Hz.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température du bain électrolytique (2) est maintenue entre 20°C et 30°C par un système de régulation.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bain électrolytique (2) est une solution aqueuse de silicate de sodium à une concentration de 1 g/l à 10 g/l et d'hydroxyde de potassium à une concentration de 1 g/l à 5 g/l.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on recouvre par des éléments de masquage étanches à l'électrolyte une ou plusieurs zones non concernées par le traitement de ladite au moins une pièce, avant assemblage sur le support (10), des joints (25) installés à la jonction entre ladite au moins une pièce et lesdits éléments de masquage assurant l'étanchéité vis-à-vis de l'électrolyte.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les joints (25), sont choisis parmi des joints toriques, des cordes ou des bandes, et sont montés par insertion de 50% à 70% de leur épaisseur dans des gorges (26) dont lesdits éléments de masquage sont pourvus.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une pièce (3) comprend une zone à traiter dont la surface est placée en regard de ladite contre-électrode (4) de forme, laquelle adopte une conformation complémentaire de celle de ladite zone à traiter, la surface de la zone à traiter se trouvant en tout point à une distance radiale De de ladite contre-électrode comprise entre 5 mm et 50 mm.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pièces (3) à traiter adoptent une forme s'étendant selon un axe longitudinal et les contre-électrodes (4) adoptent la forme de cylindres creux entourant chacun une desdites pièces à une distance radiale De, constante ou variable, comprise entre 5 mm et 50 mm.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les pièces (3) à traiter adoptent la forme d'un tube creux s'étendant selon un axe longitudinal et les contre-électrodes (4) adoptent la forme de cylindres, chacune étant entourée par une desdites pièces à une distance radiale De, constante ou variable, comprise entre 5 mm et 50 mm.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les paramètres de chaque séquence S1, S2,…, Sn sont contrôlés et pilotés par une unité centrale associée au générateur (5).
- Installation de traitement électrolytique de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium par un procédé d'oxydation micro-arc dans lequel les pièces (3) à traiter font fonction de première électrode, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- une cuve (1) apte à contenir un bain électrolytique (2) constitué d'une solution aqueuse d'un sel oxyacide de métal alcalin et d'un hydroxyde de métal alcalin,
- un outillage (100) comportant un support (10) et au moins une contre-électrode (4) de forme, ledit support étant doté de moyens pour l'assemblage d'au moins une pièce (3) à traiter avec une desdites contre-électrodes de forme à une distance De déterminée l'une de l'autre,
- des moyens pour maintenir ledit assemblage fixe en immersion dans le bain électrolytique (2),
- un système de régulation de la température du bain électrolytique (2), et
- un générateur (5) comportant des moyens de connexion électrique aux électrodes (3, 4) dudit assemblage, ledit générateur étant apte à délivrer un signal électrique alternatif dissymétrique de forme trapézoïdale et comprenant des moyens pour soumettre ladite au moins une pièce à un traitement de surface par un procédé selon l'une des revendications précédentes. - Installation selon la revendication 15, pour le traitement de la surface externe de pièces allongées s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre une première et une seconde extrémités (32, 33), caractérisée en ce que l'outillage (100) comprend :
- un support (10) comprenant un socle (11) dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la première extrémité (32) d'une pièce (3), un châssis (12) supérieur dans lequel sont ménagés des moyens de fixation aptes à recevoir chacun la seconde extrémité (33) de ladite pièce, le socle (11) et le châssis (12) étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par une série de tiges (40) dotées de moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes (4) adoptant la forme de cylindres creux d'axe longitudinal Ac, aptes chacune à recevoir une pièce (3) dans sa lumière centrale, chaque contre-électrode (4) étant fixée au socle (11) du support (10) de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que chacune desdites pièces entoure une contre-électrode (4) à une distance radiale De déterminée de celle-ci, constante ou variable, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur (5). - Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le support (10) comprend le socle (11) dans lequel sont ménagés des logements (16) borgnes aptes à recevoir en coulissement chacun la première extrémité (32) d'une pièce (3), le châssis (12) supérieur comportant des percements (19) en regard de chaque logement (16), aptes à recevoir chacun la seconde extrémité (33) de ladite pièce, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un élément de jonction.
- Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le socle (11) est formé d'une plaque supérieure (14) et d'une plaque inférieure (13) entre lesquelles est enserrée une platine (15) en métal électriquement conducteur, la plaque supérieure (14) comportant les logements (16) dont le fond est fermé par ladite platine de sorte que ladite au moins une pièce (3), une fois insérée dans un logement (16), est en contact avec la platine (15), la plaque inférieure (13) étant munie de plots de contact électrique entre ladite platine et les moyens de connexion au générateur (5).
- Installation selon la revendication 15 pour le traitement de la surface intérieure de pièces tubulaires creuses s'étendant selon un axe longitudinal Ap entre deux bordures d'extrémité (42, 43), caractérisée en ce que l'outillage (100) comprend :
- un support (10) comprenant un caisson (110) parallélépipédique formé de parois latérales (112), deux parois de façade (114), d'un socle (11) et d'un capot (113), les faces internes dudit socle et dudit capot étant dotées d'emplacements circulaires aptes chacun à recevoir en appui une bordure d'extrémité (42, 43) d'une pièce (3) tubulaire creuse, le socle (11) et le capot (113) étant maintenus ensemble dans deux plans parallèles entre eux par au moins une tige (40) coopérant avec des moyens de blocage en compression desdites pièces selon leur axe longitudinal Ap,
- des contre-électrodes (4) adoptant la forme de cylindres d'axe Ac, aptes chacune à être placée dans la lumière d'une desdites pièces tubulaires, chaque contre-électrode (4) étant fixée audit support de manière que son axe longitudinal Ac est confondu avec l'axe longitudinal Ap de la pièce correspondante, de sorte que ladite pièce entoure la contre-électrode correspondante à une distance radiale De de celle-ci, constante ou variable, et
- des moyens de connexion électrique desdites pièces et desdites contre-électrodes au générateur (5). - Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque emplacement circulaire du socle (11) et du capot (113) est traversé en son centre par une tige (40), chacune dotée d'un segment d'extrémité inférieur (44) et d'un segment d'extrémité supérieur (45) s'étendant de part et d'autre à l'extérieur du caisson (110) et coopérant avec lesdits moyens de blocage en compression des pièces (3).
- Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens de blocage coopérant avec chaque tige (40) comprennent une barrette inférieure (46) et une barrette supérieure (47) prenant appui contre les faces externes respectives du socle (11) et du capot (113), lesdites barrettes comportant un trou taraudé dans lequel sont engagés les segments d'extrémité (44, 45), filetés, de ladite tige.
- Installation selon l'une des revendications 19 à 21, caractérisée en ce que chacune des tiges (40) est dotée d'un segment médian (48) fileté, et chaque contre-électrode (4) comporte un perçage (49) taraudé pratiqué selon son axe Ac dans lequel est engagée ladite tige par vissage, de sorte que ladite contre-électrode est maintenue coaxialement dans la lumière centrale d'une pièce (3) à une hauteur déterminée.
- Installation selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, caractérisée en ce que les contre-électrodes (4) adoptent chacune une conformation complémentaire de celle de la pièce (3) à traiter ou d'une zone de ladite pièce devant être traitée, placée en regard de ladite contre-électrode, la surface de ladite pièce ou zone à traiter se trouvant en tout point à une distance radiale De, constante ou variable, de ladite contre-électrode comprise entre 5 mm et 50 mm.
- Installation selon l'une quelconque des revendications 15 à 23, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de régulation de la température du bain électrolytique (2), comportant une boucle de recirculation (200) externe dotée d'un échangeur de chaleur (230), de capteurs de température (221) et d'une pompe (220) apte à imposer la circulation permanente d'une fraction de solution électrolytique via ledit échangeur de chaleur, entre un orifice de sortie (201) pratiqué à la base de la cuve (1) à proximité d'une première paroi latérale de ladite cuve, et un déversoir (202) placé au-dessus de ladite cuve à faible distance d'une deuxième paroi latérale de ladite cuve opposée à ladite première paroi, le déversoir comprenant une rampe (203) de distribution horizontale comportant une pluralité de buses (204) par lesquelles de la solution électrolytique tempérée peut s'écouler.
- Installation selon l'une des revendications 19 à 22 prises en combinaison avec la revendication 24, caractérisée en ce que le système de régulation de la température du bain électrolytique (2) comprend en outre un dispositif de régulation de la température dans le caisson (110), lequel comprend au moins un trou d'entrée (205) de solution électrolytique ménagé dans une paroi du caisson, relié à une buse (204) par un conduit (206), et au moins un trou d'évacuation (207) ménagé à distance dans une autre paroi dudit caisson.
- Installation selon l'une quelconque des revendications 15 à 25, caractérisée en ce que les moyens de maintien en immersion dans le bain électrolytique (2) dont est doté l'outillage (100) comprennent des bras de suspension (101) fixés latéralement au support (10), lesdits bras étant munis de crochets (102) aptes à s'engager sur une barre courant au-dessus de la cuve (1).
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