Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le boîtier en aluminium de votre smartphone présente une texture si mate et délicate, tout en offrant une excellente résistance aux rayures ? La réponse réside dans l’une des techniques de finition de surface les plus courantes : l’anodisation. Cet article vous expliquera en quoi consiste l’anodisation, ses différentes variantes et ses procédés.
Qu'est-ce que l'anodisation ?
L'anodisation est une méthode de finition de surface universelle pour les pièces en aluminium. Ce procédé consiste à placer une pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium comme anode dans une solution électrolytique, où une réaction électrochimique forme une couche d'oxyde d'aluminium à sa surface. Le film anodique ainsi obtenu peut avoir une épaisseur de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres et présente d'excellentes propriétés mécaniques, une résistance à la corrosion et à l'usure, ainsi qu'une bonne résistance aux intempéries. De plus, ce film possède une forte capacité d'adsorption, permettant des procédés ultérieurs tels que la coloration électrolytique. En ajustant la durée de la coloration, il est possible d'obtenir une large gamme de teintes, des plus claires aux plus foncées, pour une finition esthétique et décorative.
Caractéristiques de l'anodisation
Porosité : Le film anodique présente une structure poreuse en nid d’abeilles. Sa porosité dépend du type d’électrolyte et des conditions d’anodisation. Cette structure poreuse confère au film une excellente capacité d’absorption de divers matériaux organiques, résines, cires, substances inorganiques, colorants et peintures. Il peut servir de support résistant pour les revêtements ou être teinté dans une variété de couleurs pour rehausser l’aspect décoratif du métal.
Résistance à l'usure : Le film d'oxyde d'aluminium est dur, ce qui améliore la résistance à l'usure de la surface du métal. Lorsqu'il absorbe des lubrifiants, cette résistance est encore accrue.
Résistance à la corrosion : Le film d’oxyde d’aluminium est très stable à l’air libre, ce qui lui confère une excellente résistance à la corrosion. Le niveau de résistance dépend de l’épaisseur, de la composition et de la porosité du film, de la composition du matériau de base et de l’intégrité de sa structure. Pour améliorer encore sa résistance à la corrosion, le film anodique est généralement scellé ou peint après traitement.
Isolation électrique : Le film anodique possède une résistance d’isolation et une tension de claquage élevées, ce qui le rend adapté à une utilisation comme couche diélectrique dans les condensateurs électrolytiques ou comme couche isolante dans les produits électriques.
Isolation thermique : Le film d’oxyde d’aluminium est un isolant thermique efficace, stable jusqu’à 1 500 °C. Il empêche ainsi la fusion de l’aluminium dans les pièces soumises à des températures élevées momentanées.
Adhérence : La liaison entre le film anodique et le métal de base est très forte. Il est très difficile de les séparer par des moyens mécaniques. Même si le film se fissure lorsque le métal de base se plie, il conservera son excellente adhérence.
Mécanisme d'anodisation
L'anodisation de l'aluminium utilise une solution acide au pouvoir dissolvant modéré. Le plomb sert de cathode et agit uniquement comme conducteur. Au cours du processus d'anodisation, les réactions suivantes se produisent :
À l'anode :
À la cathode :
Simultanément, l'acide dissout chimiquement l'aluminium et la couche d'oxyde nouvellement formée. La réaction est la suivante :
La formation et la dissolution du film d'oxyde se produisent simultanément. Dans un premier temps, la vitesse de formation du film est supérieure à sa vitesse de dissolution, ce qui entraîne une augmentation continue de son épaisseur. À mesure que l'épaisseur augmente, la résistance électrique du film augmente également, ce qui ralentit sa croissance. Finalement, la vitesse de croissance égale la vitesse de dissolution et l'épaisseur du film se stabilise.
Le processus de formation peut être mieux compris en examinant la courbe tension-temps du processus d'anodisation.
La courbe tension-temps complète pour l'anodisation peut être divisée en trois étapes principales :
Étape A : Formation d’une couche non poreuse . Il s’agit du segment ab de la courbe. Dans les premières secondes ou dizaines de secondes suivant l’application du courant, la tension augmente brusquement de zéro à une valeur maximale, appelée tension critique. Ceci indique la formation d’un film mince, continu et non poreux à la surface de l’anode. La présence de ce film empêche tout épaississement supplémentaire de la couche. L’épaisseur de cette couche non poreuse est directement proportionnelle à la tension de formation et inversement proportionnelle à la vitesse de dissolution du film dans l’électrolyte.
Étape B : Formation de la couche poreuse. Il s’agit du segment bc . Après avoir atteint son maximum, la tension commence à chuter d’environ 10 à 15 % de sa valeur de crête. Cela indique que le film non poreux a commencé à se dissoudre et qu’une couche poreuse est en train de se former.
Étape C : Épaississement de la couche poreuse. Il s’agit du segment Cd . Après environ 20 secondes d’anodisation, la tension entre dans une phase stable à montée lente. Cela indique que, tandis que la couche non poreuse se dissout continuellement pour former la couche poreuse, une nouvelle couche non poreuse se forme simultanément. Autrement dit, la couche poreuse s’épaissit continuellement. Le processus de formation et de dissolution du film se produit au fond de chaque cellule poreuse. Lorsque les vitesses de formation et de dissolution du film atteignent un équilibre dynamique, l’épaisseur du film anodique n’augmente plus, même si la durée d’anodisation est prolongée. À ce stade, le processus d’anodisation doit être arrêté.
Types et procédés d'anodisation
Il existe de nombreuses méthodes d'anodisation de l'aluminium et de ses alliages. Nous nous concentrerons ici sur les plus courantes : l'anodisation à l'acide sulfurique, à l'acide chromique et à l'acide oxalique. Parmi les autres méthodes, citons l'anodisation dure et l'anodisation porcelaine.
Anodisation à l'acide sulfurique
Ce procédé utilise un courant continu ou alternatif dans un électrolyte d'acide sulfurique dilué. Il produit un film d'oxyde incolore et transparent, d'une épaisseur de 5 à 20 µm, présentant de bonnes propriétés d'adsorption. Le procédé est simple, la solution est stable et sa mise en œuvre est aisée.
| Composition de la solution | Méthode du courant continu (Formule 1) | Méthode du courant continu (Formule 2) | Méthode du courant alternatif |
| Acide sulfurique (g/L) | 150-200 | 160 ~ 170 | 100 ~ 150 |
| Ions d'aluminium | <20 | <15 | <25 |
| Température (° C) | 15 ~ 25 | 0-3 | 15 ~ 25 |
| Densité de courant anodique (A/) | 0.8 ~ 1.5 | 0.4 ~ 0.6 | 2 ~ 4 |
| Tension (V) | 18 ~ 25 | 16 ~ 20 | 18 ~ 30 |
| Temps d'anodisation (min) | 20 ~ 40 | 60 | 20 ~ 40 |
Concentration d'acide sulfurique : Une concentration élevée d'acide sulfurique accélère la dissolution chimique du film, ce qui donne un film mince, souple et poreux, doté d'une forte capacité d'adsorption et de bonnes propriétés de teinture. À l'inverse, une concentration plus faible entraîne une croissance plus rapide du film, une porosité moindre, une dureté accrue, ainsi qu'une meilleure résistance à l'usure et une réflectivité améliorée.
Température : La température de l’électrolyte influe sur la qualité du film d’oxyde. Entre 10 °C et 20 °C, le film est poreux, très adsorbant et élastique, ce qui le rend adapté à la teinture, mais sa dureté et sa résistance à l’usure sont moindres. Si la température dépasse 26 °C, le film devient mou et friable. En dessous de 10 °C, le film est plus épais et plus dur, avec une meilleure résistance à l’usure, mais sa porosité est plus faible. Il est donc essentiel de contrôler la température de l’électrolyte pendant la production.
Densité de courant : L’augmentation de la densité de courant accélère la croissance du film, raccourcit le temps d’anodisation et réduit la dissolution chimique, ce qui permet d’obtenir un film plus dur et plus résistant à l’usure. Cependant, une densité de courant trop élevée peut entraîner une augmentation de la dissolution du film par effet Joule, ralentissant ainsi sa croissance. À l’inverse, une densité de courant trop faible allonge considérablement le temps d’anodisation et produit un film moins dense et moins dur.
Durée : La durée d’anodisation est déterminée par la concentration de l’électrolyte, la température, la densité de courant et l’épaisseur de film souhaitée. Dans des conditions identiques, plus la durée est longue, plus le film d’oxyde s’épaissit et sa porosité augmente. Cependant, au-delà d’une certaine épaisseur, la vitesse de croissance ralentit puis s’arrête.
Agitation : L’agitation favorise la convection de la solution, assurant une température uniforme et prévenant les surchauffes localisées susceptibles de dégrader la qualité du film d’oxyde. L’agitation est réalisée à l’aide de compresseurs d’air ou de pompes à eau.
Composition de l'alliage : La composition de l'alliage d'aluminium influe sur la qualité, l'épaisseur et la couleur du film. En général, la présence d'autres éléments dans l'alliage peut altérer la qualité du film. Pour les alliages Al-Mg contenant plus de 5 % de magnésium et présentant une structure non uniforme, un traitement thermique approprié est indispensable pour homogénéiser l'alliage ; à défaut, la transparence du film sera compromise. Dans les alliages Al-Mg-Si, l'augmentation de la teneur en silicium entraîne une modification de la couleur du film, passant d'incolore et transparent au gris, au violet, puis au noir, ce qui rend difficile l'obtention d'une couleur uniforme. Dans les alliages Al-Cu-Mg-Mn, le cuivre diminue la dureté du film, augmente sa porosité et donne un film plus lâche et de moindre qualité. Dans les mêmes conditions d'anodisation, l'aluminium pur produit le film le plus épais, le plus dur et le plus résistant à la corrosion.
Anodisation à l'acide chromique
Le film d'oxyde obtenu par anodisation à l'acide chromique a une épaisseur de 2 à 5 μm. Il est peu poreux et tendre, avec une faible résistance à l'usure. La dissolution de l'aluminium étant très limitée, les pièces conservent leur précision et leur rugosité de surface initiales après la formation du film. Ce procédé est donc adapté à la fabrication de pièces de précision.
| Composition de la solution | Formule 1 | Formule 2 | Formule 3 |
| Anhydride chromique (g/L) | 50 ~ 60 | 30 ~ 40 | 95 ~ 100 |
| Température (° C) | 33 ~ 37 | 38 ~ 42 | 35 ~ 39 |
| Densité de courant anodique (A/) | 1.5 ~ 2.5 | 0.2 ~ 0.6 | 0.3 ~ 2.5 |
| Tension (V) | 0 ~ 40 | 0 ~ 40 | 0 ~ 40 |
| Temps d'anodisation (min) | 60 | 60 | 35 |
| Matériel d'anode | Plaque de plomb ou graphite | Plaque de plomb ou graphite | Plaque de plomb ou graphite |
Concentration d'anhydride chromique : Une concentration trop élevée ou trop faible en anhydride chromique réduit la capacité d'anodisation, bien qu'une concentration élevée soit acceptable. Les électrolytes contenant trop peu d'anhydride chromique sont instables, ce qui peut entraîner une baisse de la qualité du film.
Impuretés : Les ions chlorure, sulfate et chrome trivalent sont des impuretés nocives présentes dans l’électrolyte d’anodisation à l’acide chromique. Les ions chlorure peuvent provoquer une corrosion des pièces ; une concentration élevée d’ions sulfate rend le film d’oxyde opaque et réduit la durée de vie du bain ; enfin, une trop grande quantité d’ions chrome trivalent donne un film sombre et terne.
Tension : Durant les 15 premières minutes du processus d’anodisation, la tension doit être augmentée progressivement de 0 V à 40 V, par paliers de 5 V maximum, afin de maintenir le courant dans la plage spécifiée. Une fois la tension du bain atteinte à 40 V, elle doit être maintenue pendant toute la durée du processus d’anodisation.
Anodisation à l'acide oxalique
L'acide oxalique est un acide faible ayant un effet corrosif minimal sur l'aluminium et ses alliages. Par conséquent, l'anodisation à l'acide oxalique permet d'obtenir un film plus dur et plus épais (jusqu'à 60 µm), présentant une bonne résistance à la corrosion et une excellente isolation électrique. Selon la composition de l'alliage et leur proportion, le film peut arborer une variété de couleurs vives. L'électrolyte d'acide oxalique est très sensible aux ions chlorure. Si leur concentration dépasse 0.04 g/L, des points de corrosion peuvent apparaître sur le film. La concentration en ions aluminium trivalents ne doit pas non plus excéder 3 g/L.
| Composition de la solution (g/L) | Formule 1 | Formule 2 | Formule 3 |
| Acide oxalique | 27 ~ 33 | 50-100 | 50 |
| Température (° C) | 15 ~ 21 | 35 | 35 |
| Densité de courant anodique (A/) | 1 ~ 2 | 2-3 | 1-2 |
| Tension (V) | 110 ~ 120 | 40 ~ 60 | 30 ~ 35 |
| Temps d'anodisation (min) | 120 | 30 ~ 60 | 30 ~ 60 |
| Source d'énergie | DC | AC | DC |
Coloration et scellement
Après anodisation, l'aluminium et ses alliages présentent une couche d'oxyde poreuse en surface. Grâce à des traitements de coloration et d'étanchéité, les pièces peuvent arborer diverses couleurs, tout en améliorant la résistance à la corrosion et la durabilité de cette couche.
Coloration par pigments inorganiques
Le mécanisme de coloration par pigments inorganiques repose sur l'adsorption physique : les molécules de pigments inorganiques s'adsorbent et remplissent les pores du film. Cette méthode produit des couleurs moins vives et une adhérence plus faible au substrat, mais offre une meilleure résistance à la lumière. Les colorants utilisés sont obtenus par un procédé en deux étapes. Le métal anodisé est immergé alternativement dans deux solutions différentes jusqu'à ce que la réaction entre les deux sels présents dans le film d'oxyde produise suffisamment de pigment pour obtenir la teinte désirée.
| Couleur | Composition | Concentration massique (g/L) | Température (° C) | Temps (min) | Sel coloré formé |
| Rouge | Acétate de cobalt | 50 ou 100 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Ferricyanure de potassium |
| Ferricyanure de potassium | 10 ou 50 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Ferricyanure de potassium | |
| Bleu | Ferrocyanure de potassium | 10 ou 50 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Bleu de Prusse |
| chlorure ferrique | 10 ou 100 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Bleu de Prusse | |
| Jaune | Chromate de potassium | 50 ou 100 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Plomb Chromate |
| chromate de potassium acétate de plomb | 100 ou 200 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Plomb Chromate | |
| Noir | Acétate de cobalt | 50 ou 100 | 5 ou 10 | Oxyde de cobalt | |
| Le permanganate de potassium | 12 ou 25 | Température ambiante. | 5 ou 10 | Oxyde de cobalt |
Coloration colorante biologique
Le mécanisme de coloration par colorants organiques est plus complexe et fait intervenir à la fois l'adsorption physique et des réactions chimiques. La liaison chimique entre l'oxyde d'aluminium et les molécules de colorant peut se former de plusieurs manières : liaisons covalentes entre l'oxyde et les groupes sulfoniques du colorant, liaisons hydrogène entre l'oxyde et les groupes phénoliques du colorant, ou formation d'un complexe entre l'oxyde et les molécules de colorant. La coloration par colorants organiques produit des couleurs vives et offre une large gamme de nuances, mais sa résistance à la lumière est faible. Il est recommandé d'utiliser de l'eau distillée ou déminéralisée pour préparer la solution de colorant, car l'eau du robinet contient des ions calcium et magnésium susceptibles de former des complexes avec les molécules de colorant, rendant ainsi la solution inutilisable.
| Couleur | Nom de la teinture | Concentration massique (g/L) | Température (° C) | Temps (min) | PH |
| Rouge | Rhodamine B (R) | 5 ~ 10 | 60 ~ 70 | 10 ~ 20 | / |
| Magenta acide (GR) | 6 ~ 8 | Température ambiante. | 2 ~ 15 | 4.5 ~ 5.5 | |
| Rouge réactif | 2 ~ 5 | 70 ~ 80 | / | / | |
| Rouge d'alizarine S (GLW) | 3 ~ 5 | Température ambiante. | 5 ~ 10 | 5 ~ 6 | |
| Bleu | Direct Fast Blue | 3 ~ 5 | 15 ~ 30 | 15 ~ 20 | 4.5 ~ 5.5 |
| Bleu réactif | 5 | Température ambiante. | 1 ~ 5 | 4.5 ~ 5.5 | |
| Bleu acide | 2 ~ 5 | 60 ~ 70 | 2 ~ 15 | 4.5 ~ 5.5 | |
| Jaune doré | Rhodamine S (S) | 0.3 | 70 ~ 80 | 1 ~ 3 | 5 ~ 6 |
| Rhodamine B (R) | 0.5 | / | / | / | |
| Jaune réactif | 0.5 | 70 ~ 80 | 5 ~ 15 | / | |
| Jaune d'alizarine (GLW) | 2.5 | Température ambiante. | 2 ~ 5 | 5 ~ 5.5 | |
| Noir | Noir acide (ATT) | 10 | Température ambiante. | 3 ~ 10 | 4.5 ~ 5.5 |
| Élément acide | 10 ~ 12 | 60 ~ 70 | 10 ~ 15 | ||
| Naphtol vert noir | 5 ~ 10 | 60 ~ 70 | 15 ~ 30 | 5 ~ 5.5 |
Coloration électrolytique
Dans ce procédé, l'aluminium ou l'alliage anodisé est plongé dans une solution électrolytique contenant des sels métalliques et soumis à une électrolyse. Une réaction électrochimique réduit les ions de métaux lourds ayant pénétré dans les pores du film d'oxyde en atomes métalliques, lesquels se déposent au fond des pores sur la couche non poreuse, conférant ainsi sa couleur au film. Le film d'oxyde coloré obtenu par cette méthode présente une excellente résistance à l'usure, à la lumière, à la chaleur et à la corrosion, ainsi qu'une stabilité de couleur durable. Il est utilisé pour les profilés architecturaux en aluminium. Plus la tension est élevée et plus la durée de la coloration électrolytique est longue, plus la couleur est intense.
| Couleur | Nom de la teinture | Concentration massique (g/L) | Température (° C) | Tension CA (V) | Temps (min) |
| Rouge | Nitrate d'argent | 0.4-10 | Température ambiante. | 8 ou 20 | 0.5 ou 1.5 |
| Acide sulfurique | 5 ou 30 | Température ambiante. | 8 ou 20 | 0.5 ou 1.5 | |
| de bronze →Brun →Noir | Sulfate de nickel | 25 | 20 | 7 ou 15 | 2 ou 15 |
| L'acide borique | 25 | 20 | 7 ou 15 | 2 ou 15 | |
| Sulfate d'ammonium | 15 | 20 | 7 ou 15 | 2 ou 15 | |
| Le sulfate de magnésium | 20 | 20 | 7 ou 15 | 2 ou 15 | |
| de bronze →Brun →Noir | Sulfate d'étain(II) | 20 | 15 ou 25 | 13 ou 20 | 5 ou 20 |
| Acide sulfurique | 10 | 15 ou 25 | 13 ou 20 | 5 ou 20 | |
| L'acide borique | 10 | 15 ou 25 | 13 ou 20 | 5 ou 20 | |
| Violet →Brun rougeâtre | Sulfate de cuivre | 35 | 20 | 10 | 5 ou 20 |
| Le sulfate de magnésium | 20 | 20 | 10 | 5 ou 20 | |
| Acide sulfurique | 5 | 20 | 10 | 5 ou 20 | |
| Noir | Sulfate de cuivre | 25 | 20 | 17 | 13 |
| Le sulfate de magnésium | 15 | 20 | 17 | 13 | |
| Acide sulfurique | 25 | 20 | 17 | 13 |
Traitement d'étanchéité
Après anodisation, qu'elle soit colorée ou non, l'aluminium doit être scellé rapidement. Ce scellement a pour but de fixer le colorant dans les pores afin d'éviter son suintement, tout en améliorant la résistance à l'usure, à la lumière et à la corrosion du film, ainsi que ses propriétés isolantes. Les méthodes de scellement 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.
Étanchéité à l'eau chaude
Le principe du scellement à l'eau chaude repose sur l'hydratation de phases amorphes :
Ici, n peut être égal à 1 ou 3. L'hydratation forme de la boehmite ( ) et, lorsque , de l'hydrargillite ( ). La formation d'hydrargillite augmente son volume de près de 100 %. Suite à l'hydratation de la surface et des parois des pores du film d'oxyde, les pores sont colmatés par expansion volumique. Le procédé de colmatage à l'eau chaude se déroule à une température de 90 °C à 100 °C, un pH de 6 à 7.5 et pendant une durée de 15 à 30 minutes. L'eau utilisée pour le colmatage doit être distillée ou déminéralisée, et non l'eau du robinet, car cette dernière peut altérer la transparence et la couleur du film d'oxyde. Le principe du colmatage à la vapeur est identique à celui du colmatage à l'eau chaude, mais les résultats sont nettement supérieurs, malgré un coût plus élevé.
Scellement au dichromate
Ce procédé est réalisé dans une solution chaude de dichromate de potassium, un puissant oxydant. Lorsque la pièce en aluminium anodisé est immergée dans la solution, l'oxyde d'aluminium présent sur le film et les parois des pores réagit avec le dichromate de potassium, selon le processus suivant :
Les précipités d'hydroxyde de chromate d'aluminium et d'hydroxyde de dichromate d'aluminium qui en résultent, ainsi que la boehmite et l'hydrargillite formées par la réaction des molécules d'eau chaude avec l'oxyde d'aluminium, scellent les pores du film. Le film d'oxyde ainsi scellé est jaune et présente une bonne résistance à la corrosion. Cette méthode convient au scellement des alliages d'aluminium anodisés destinés à la protection, mais n'est pas adaptée au scellement des films décoratifs colorés.
| Dichromate de potassium | 50 à 70 g / L |
| Température | 90°C~95°C |
| Heure | 15～25 minutes |
| PH | 6-7 |
Scellement par hydrolyse
Lorsqu'une solution très diluée de sel de nickel ou de cobalt est adsorbée par le film d'oxyde, une réaction d'hydrolyse se produit :
L'hydroxyde de nickel ou de cobalt ainsi formé précipite dans les pores du film d'oxyde, les scellant. Comme les faibles quantités d'hydroxyde de nickel et de cobalt sont presque incolores, cette méthode convient au scellement des films d'oxyde colorés.
| Composition de la solution (g/L) | Formule 1 | Formule 2 | Formule 3 |
| Sulfate de nickel | 4 ~ 6 | 3-5 | / |
| Sulfates de cobalt | 0.5 ~ 0.8 | / | / |
| Acétate de cobalt | / | / | 1 ~ 2 |
| L'acétate de sodium | 4 ~ 6 | 3 ~ 5 | 3 ~ 4 |
| L'acide borique | 4 ~ 5 | 3 ~ 4 | 5 ~ 6 |
| PH | 4 ~ 6 | 5 ~ 6 | 4.5 ~ 5.5 |
| Température (° C) | 80 ~ 85 | 70 ~ 80 | 80 ~ 90 |
| Temps de scellage (min) | 10 ~ 20 | 10 ~ 15 | 10 ~ 25 |
Remplissage d'étanchéité
Outre les méthodes mentionnées ci-dessus, les films d'oxyde anodique peuvent également être scellés à l'aide de substances organiques telles que du vernis transparent, de la cire de paraffine fondue, diverses résines et des huiles siccatives.
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