L'anodisation de l'aluminium consiste à immerger des pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium dans un électrolyte approprié, l'aluminium servant d'anode et un autre métal de cathode. Sous l'effet d'un courant électrique, une couche d'oxyde se forme à la surface de l'aluminium.
En sélectionnant différents types et concentrations d'électrolytes et en contrôlant les conditions du procédé d'oxydation, il est possible d'obtenir des films d'oxyde anodisés aux propriétés variées et d'épaisseurs allant de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres. Ces films présentent une résistance à la corrosion et à l'usure, ainsi que des qualités décoratives, nettement supérieures à celles des films d'oxyde obtenus par voie chimique.
L'électrolyte utilisé pour l'anodisation de l'aluminium et de ses alliages est une solution acide à pouvoir dissolvant modéré. Lors du processus d'anodisation, deux réactions simultanées se produisent. D'une part, la pièce en aluminium, qui sert d'anode, réagit avec les atomes d'oxygène issus de l'hydrolyse de l'eau pour former un film d'oxyde (Al₂O₃ ) par une réaction électrochimique, comme illustré ci- dessous :
H₂O – 2e⁻ → [O] + 2H⁺
2Al + 3 [ O] → Al₂O₃
Par ailleurs, l'électrolyte dissout continuellement le film d'Al₂O₃ nouvellement formé , selon la réaction suivante :
Al 2 O 3 + 6H + → 2Al 3+ + 3H 2 O
La croissance du film d'oxyde est un processus dynamique de formation et de dissolution continues. Un film d'oxyde plus épais n'est obtenu que lorsque la vitesse de formation dépasse la vitesse de dissolution. Une structure poreuse en nid d'abeille, composée de deux couches, caractérise la surface du film d'oxyde d'anodisation sur l'aluminium et ses alliages. La couche interne, adjacente au substrat, est un film dense d'Al₂O₃ d' une épaisseur de 0.01 à 0.05 µm, communément appelée couche barrière, et qui présente une dureté élevée. La couche externe est un film d'oxyde poreux composé d'Al₂O₃ contenant de l'eau cristalline ; moins dure , elle possède d'excellentes propriétés d'adsorption.
Propriétés des films anodisés en aluminium
Dans un film d'oxyde anodisé poreux, les micropores sont régulièrement disposés, perpendiculairement à la surface métallique, formant une structure tubulaire. Par exemple, dans un film d'oxyde anodisé à l'acide sulfurique d'une épaisseur de 10 μm, le diamètre des pores est généralement inférieur à 20 nm, ce qui signifie que leur longueur est plus de 500 fois supérieure à leur diamètre. Ces pores ressemblent à des tubes allongés et rectilignes. La densité de pores peut atteindre 76 milliards de pores par centimètre carré ; le nombre de pores sur une surface de la taille d'un ongle est environ dix fois supérieur à la population mondiale.
La structure poreuse et la morphologie des films d'oxyde anodisés sont généralement observées directement à l'aide d'un microscope électronique à balayage à haute résolution, qui révèle les caractéristiques du film sous différents angles.
Processus d'anodisation en aluminium
Le procédé typique d'anodisation de l'aluminium et des alliages d'aluminium comprend les étapes suivantes :
Nivellement de surface → Mise en rayon → Dégraissage chimique → Rinçage → Neutralisation → Rinçage → Décapage alcalin → Rinçage → Anodisation → Rinçage → Teinture ou coloration électrolytique → Rinçage → Étanchéité → Polissage mécanique → Inspection
Il s'agit d'un processus standard, mais certaines étapes peuvent être ajustées ou omises en fonction des exigences et de la méthode d'anodisation spécifique utilisée.
Tableau : Paramètres clés de l’anodisation à l’acide sulfurique
| Etape | Processus | Composition de la solution | Paramètres de process |
| 1 | Dégraissage | 2 % Na3PO4 1 % Na2CO3 0.5% de NaOH | Température : 45–60°C Durée : 3 à 5 min |
| 2 | Rinçage à l'eau chaude | L'eau du robinet | Température : 40–60°C Durée : Jusqu'à ce que le nettoyage soit terminé |
| 3 | Gravure alcaline | 40–50 g/L de NaOH | Température : Température ambiante Durée : 1 à 5 min |
| 4 | rinçage à l'eau froide | L'eau du robinet | Température : Température ambiante Durée : Jusqu'à ce que le nettoyage soit terminé |
| 5 | Neutralisation | 10–30 % HNO₃3 | Température : Température ambiante Durée : 3 à 8 min |
| 6 | Scellage | Eau pure | Température : ≥ 90 °C Durée : > 20 min pH: 4-6 |
Tableau : Spécifications de post-traitement pour l'oxydation chimique
| Processus | Composition de la solution (g/L) | Paramètres de process | Remarques |
| traitement de comblement | Dichromate de potassium : 30–50 | 90-95 ° C 5 – 10 min | Pour l'oxydation acide |
| Traitement de passivation | Chromate de potassium : 20 | Température ambiante 5 à 15 s | Pour l'oxydation alcaline |
Étanchéité pour films anodisés en aluminium
En raison de la structure poreuse et des fortes propriétés d'adsorption des films d'oxyde anodisés, leur surface est sujette à la contamination, notamment par des agents corrosifs capables de pénétrer dans les pores et de provoquer la corrosion. Par conséquent, après la formation du film d'oxyde anodisé, qu'il soit coloré ou non, un traitement de scellement est nécessaire pour obturer les pores, améliorant ainsi la résistance à la corrosion, l'isolation et la résistance à l'usure, tout en réduisant l'adsorption d'impuretés ou d'huiles. Les méthodes de scellement courantes comprennent le scellement à l'eau chaude, le scellement à la vapeur, le scellement au dichromate, le scellement par hydrolyse et le scellement par remplissage.
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(1) Scellage à l'eau chaude
Le scellement à l'eau chaude consiste à traiter un film d'oxyde anodisé fraîchement formé dans de l'eau bouillante ou presque bouillante pendant une durée déterminée. Ce procédé désactive le film, empêchant ainsi toute adsorption ultérieure de colorant et stabilisant la couleur appliquée. Le principe repose sur l'hydratation de l' Al₂O₃ amorphe.
Al 2 O 3 + nH 2 O → Al 2 O 3 · nH 2 O
Ici, n vaut généralement 1 ou 3. Lorsque Al₂O₃ s'hydrate pour former du monohydrate (Al₂O₃ · H₂O ) , son volume augmente d'environ 33 %. Pour le trihydrate (Al₂O₃ · 3H₂O ) , le volume double presque. Cette hydratation provoque la fermeture des pores , car le volume d'Al₂O₃ à la surface et sur les parois des pores augmente.
Procédé de scellage à l'eau chaude
- Température de l'eau : 90–110°C
- valeur du pH : 6–7.5
- Durée : 15 à 30 min
L'eau utilisée doit être distillée ou déminéralisée, car l'eau du robinet peut réduire la transparence et le lustre du film d'oxyde.
(2) Scellage à la vapeur à haute température
Le scellage à la vapeur haute température fonctionne selon le même principe d'hydratation que le scellage à l'eau chaude, provoquant la fermeture du film poreux par dilatation volumique. Ses avantages sont les suivants :
- Scellage plus rapide et plus efficace que le scellage à l'eau chaude.
- Moins de dépendance à la qualité de l'eau et au pH.
- Réduction de l'apparition de cendres blanches, un problème courant lors du scellement à l'eau chaude.
- Risque réduit de lixiviation ou de décoloration du colorant, ce qui le rend adapté aux films d'oxyde anodisés teintés.
La réussite du scellement à la vapeur repose sur la conception et l'étanchéité des équipements, garantissant ainsi la température et l'humidité requises. La température doit dépasser 100 °C, généralement entre 115 et 120 °C, avec une pression de vapeur contrôlée entre 0.7 et 1 atm (1 atm = 10⁵ Pa). La condensation en surface doit être évitée. D'un point de vue cinétique, une augmentation de température de 10 °C peut accroître la vitesse de réaction d'environ 30 %. Toutefois, un chauffage rapide (idéalement en moins de 5 minutes) et une bonne isolation sont essentiels et nécessitent un équipement sophistiqué. Le coût élevé de construction et d'exploitation des systèmes de scellement à la vapeur limite leur utilisation à grande échelle.
(3) Scellement au dichromate
Le scellement au dichromate est réalisé dans une solution de dichromate de potassium fortement oxydante à haute température. La réaction entre l'Al₂O₃ présent sur les parois des pores et le dichromate de potassium ( K₂Cr₂O₇ ) est la suivante :
2Al 2 O 3 + 3K 2 Cr 2 O 7 + 5H 2 O → 2AlOHCrO 4 + 2AlOHCr 2 O 7 + 6KOH
Le chromate d'aluminium basique, le dichromate d'aluminium basique et l'alumine hydratée ainsi obtenus scellent collectivement les micropores. Le procédé se déroule comme suit :
| Solution d'étanchéité | Dichromate de potassium | 50 à 70 g/L |
| Paramètres de process | Température | 90-95 ° C |
| Heure | 15 – 25 min | |
| PH | 6-7 |
Le film d'oxyde traité présente une couleur jaune et offre une excellente résistance à la corrosion, ce qui le rend adapté à l'anodisation protectrice mais pas aux films teintés décoratifs.
(4) Scellement par hydrolyse
Le scellement par hydrolyse est largement utilisé en Chine, notamment pour le scellement des films d'oxyde teintés, car il pallie de nombreux inconvénients du scellement à l'eau chaude. Le procédé consiste à adsorber des sels de cobalt ou de nickel facilement hydrolysables dans les pores du film d'oxyde, où ils subissent une hydrolyse pour former des précipités d'hydroxyde qui scellent les pores.
Ni 2 + 2H2O → Ni(OH) 2 ↓ + 2H +
Co 2 + 2H 2 O → Co(OH) 2 ↓ + 2H +
Les hydroxydes de nickel et de cobalt ainsi obtenus, qui sont presque incolores et transparents, scellent les pores sans altérer la couleur d'origine du film, ce qui rend cette méthode idéale pour les films teintés.
(5) Remplissage et scellement
Outre les méthodes mentionnées ci-dessus, les films d'oxyde anodisé peuvent être scellés à l'aide de matériaux organiques tels que vernis transparent, paraffine fondue, résines ou huiles siccatives. Par exemple, l'huile de silicone améliore l'isolation des films d'oxyde anodisé durs, la graisse de silicone permet d'obtenir des surfaces exemptes de poussière et les acides gras ou les graisses haute température peuvent être utilisés pour les réflecteurs infrarouges afin de limiter les pertes d'absorption dans la gamme de longueurs d'onde de 4 à 6 μm. Divers agents de scellement organiques ont été développés pour des applications spécifiques.
