Finition de surface : Explication de la galvanoplastie

L'électroplacage est aujourd'hui largement utilisé dans l'industrie électronique et électrique. Les composants tels que les cartes de circuits imprimés, les connecteurs et autres petites pièces métalliques nécessitent tous une finition électroplaquée. La forte croissance du secteur des télécommunications et la demande croissante en appareils électroniques ont considérablement stimulé l'utilisation de l'électroplacage. Cet article présente le procédé d'électroplacage et les différents types de placage selon le métal utilisé.

Qu'est-ce que la galvanoplastie ?

La galvanoplastie est un procédé qui utilise l'électrolyse pour déposer une couche de métal ou d'alliage sur la surface d'une pièce, formant ainsi un revêtement métallique uniforme, dense et présentant une bonne adhérence. Lors de la galvanoplastie, la pièce à revêtir est reliée à la borne négative de l'alimentation électrique, servant de cathode. Elle est immergée dans une solution électrolytique contenant les ions métalliques à déposer. L'anode est généralement une plaque ou une tige du métal à déposer. Cependant, certains procédés de galvanoplastie utilisent également des anodes insolubles comme le graphite, l'acier inoxydable, le plomb ou les alliages plomb-antimoine.

Le procédé de galvanoplastie se divise, selon sa méthode d'application, en galvanoplastie sur support rigide, galvanoplastie en tonneau, galvanoplastie continue et galvanoplastie au pinceau. Le choix de la méthode appropriée dépend de la taille et du volume de production des pièces à traiter.

Le placage sur support est la méthode la plus courante. Les pièces sont suspendues sur un support hautement conducteur et immergées dans la solution de placage, qui sert de cathode. Cette méthode convient aux pièces de dimensions standard ou importantes, comme les guidons de vélo et les pare-chocs de voiture.

Le placage en tonneau est une autre méthode courante, adaptée aux petites pièces produites en grande série. Lors du placage, les pièces sont placées dans un tonneau polygonal et leur propre poids assure le contact avec la cathode à l'intérieur du tonneau.

Principe de base de la galvanoplastie

La pièce à plaquer est placée dans un bain de placage rempli d'une solution électrolytique et reliée à la borne négative (cathode) d'une source d'alimentation CC. Le métal de placage (ou un matériau inerte comme le graphite) est également placé dans le bain et relié à la borne positive (anode).

Lorsqu'un courant électrique est appliqué, les ions métalliques de la solution de placage migrent vers la cathode, captent des électrons, sont réduits en atomes métalliques, puis se déposent sur la surface de la pièce, formant ainsi le revêtement. Le procédé de galvanoplastie reposant principalement sur des principes électrochimiques, trois conditions essentielles sont nécessaires : une différence de potentiel entre les électrodes, une solution de placage (électrolyte) et une source d'énergie.

Prenons l'exemple du cuivrage : la pièce à usiner sert de cathode dans une solution de placage dont le composant principal est le sulfate de cuivre, le cuivre métallique constituant l'anode. Lorsqu'une alimentation en courant continu est appliquée, le courant traverse les électrodes et l'électrolyte. Les anions et les cations présents dans la solution de placage subissent une électromigration : sous l'influence du champ électrique, les anions se déplacent vers l'anode et les cations vers la cathode. Les ions cuivre (Cu²⁺) sont ainsi attirés vers la cathode.⁺) sont réduits et déposés sur la cathode, tandis que le cuivre métallique à l'anode est oxydé.

Les réactions chimiques sont les suivantes :

• Réaction cathodique (pièce) (réduction) : Cu²⁺ + 2e^- → Cu
• Réaction anodique (oxydation) : Cu – 2e^- → Cu²⁺

Le revêtement final doit être complet, uniforme, dense, répondre à des exigences d'épaisseur spécifiques, être fermement lié au métal de base et posséder certaines propriétés physiques et chimiques pour assurer une protection efficace.

Facteurs affectant la qualité de la galvanoplastie

La qualité de la couche électrolytique dépend de nombreux facteurs. Parmi les principaux, on peut citer la composition de la solution de placage, la densité de courant cathodique, la température et le prétraitement de surface.

Composition de la solution de placage

La composition de la solution de placage comprend principalement les éléments suivants :

Sel principal (sel primaire)Le sel métallique contient les ions qui se déposeront sur la cathode pour former le revêtement métallique. À conditions égales par ailleurs, une concentration élevée de ce sel facilite le dépôt de métal, mais diminue la polarisation de la cathode, ce qui entraîne une granulométrie plus grossière du revêtement. Cependant, une concentration excessive réduit le pouvoir de pénétration (capacité de dispersion) et la stabilité de la solution, et augmente les coûts de production et de traitement des déchets. À l'inverse, une concentration très faible offre un meilleur pouvoir de pénétration et de couverture, ainsi qu'une meilleure polarisation de la cathode, mais se traduit par une faible conductivité, une densité de courant admissible plus faible, un rendement de courant moindre et une vitesse de dépôt lente. Par conséquent, la concentration du sel principal doit se situer dans une plage appropriée, qui varie en fonction des exigences spécifiques de l'application.

Sels supplémentaires (sels conducteurs)Les sels de métaux alcalins ou alcalino-terreux (y compris les sels d'ammonium) sont ajoutés principalement pour augmenter la conductivité de la solution. Ces sels peuvent également améliorer la profondeur de dépôt, le pouvoir de pénétration et le pouvoir couvrant de la solution de placage, permettant ainsi d'obtenir un revêtement plus fin et plus dense. On peut citer comme exemples le sulfate de sodium et le sulfate de magnésium dans les bains de nickelage. Cependant, un excès de sels ajoutés peut réduire la solubilité du sel principal et rendre la solution trouble.

Agents complexants : Les substances capables de se complexer avec les ions métalliques du sel principal. Les solutions dépourvues de ces ions sont appelées bains de sel unique ; elles présentent généralement une faible stabilité, des grains cristallins grossiers et une qualité de revêtement inférieure. L’ajout d’agents complexants augmente la polarisation de la cathode, ce qui permet d’obtenir une structure cristalline plus fine et favorise également la dissolution de l’anode. Si la quantité d’agent complexant dépasse celle nécessaire à la complexation des ions métalliques du sel principal, il se forme… gratuite Ions complexants. Une concentration trop élevée d'ions complexants libres peut réduire l'efficacité du courant cathodique, ralentir la vitesse de dépôt, voire empêcher complètement le dépôt.

Agents tamponsSubstances, généralement un mélange acide faible/sel ou base faible/sel, utilisées pour maintenir l'acidité ou l'alcalinité de la solution de placage dans une plage de pH spécifique, nécessaire à son fonctionnement normal. Elles contribuent à minimiser les fluctuations du pH du bain.

Additifs: De petites quantités de substances organiques sont ajoutées au bain de placage pour améliorer les performances de la solution et la qualité du revêtement. Elles sont principalement classées selon leur fonction :

• Agents de blanchiment optique : Ils augmentent le lustre/la brillance du revêtement. Les agents de blanchiment optique primaires contiennent souvent des groupes sulfonyle ou des liaisons carbone-carbone insaturées (par exemple, la saccharine). Les agents de blanchiment optique secondaires sont généralement des aldéhydes, des cétones, des alcynes, des cyanures ou des composés hétérocycliques à liaisons insaturées.
• Agents de nivellement : Ils améliorent considérablement la régularité du revêtement. Ils permettent d’obtenir un revêtement plus épais dans les creux microscopiques de la pièce que sur les aspérités microscopiques.
• Agents mouillants (agents anti-piqûres) : Ils diminuent la tension interfaciale entre l’électrode et la solution, facilitant ainsi l’étalement de cette dernière sur la surface de l’électrode. Ils favorisent également le détachement des bulles de gaz de la surface de l’électrode, inhibant la formation de micro-perforations dans le revêtement.
• Agents réducteurs de contraintes : Ils diminuent les contraintes internes du revêtement, améliorant ainsi sa résistance.
• Agents d'affinage du grain : Favorisent une structure cristalline plus fine et plus dense dans le revêtement.

Densité de courant cathodique

La densité de courant cathodique optimale dépend de facteurs tels que la composition de la solution de placage, la concentration du sel principal, le pH, la température et l'agitation.

Une densité de courant trop faible réduit la polarisation de la cathode, ce qui entraîne une croissance cristalline grossière ou une absence totale de dépôt.

L'augmentation de la densité de courant (dans certaines limites) accroît la polarisation de la cathode, ce qui donne une structure de revêtement plus fine.

Une densité de courant excessive provoque une croissance rapide des cristaux le long des lignes de force dans la solution, formant des nodules ou des cristaux arborescents (dendrites). Les angles et les bords peuvent même brûler. Une densité de courant élevée entraîne également un dégagement intense d'hydrogène à la surface de la cathode, augmentant le pH et pouvant piéger des sels basiques métalliques dans le revêtement, le noircissant. De plus, elle peut provoquer la passivation de l'anode, entraînant un appauvrissement en ions métalliques dans la solution et potentiellement la formation d'un revêtement poreux et friable. Chaque bain de placage possède une plage de densité de courant optimale.

Température

La température est un facteur crucial. Son augmentation accélère la diffusion des particules et la déshydratation des ions, accroît l'activité ionique et la surface de la cathode, et diminue la diffusion et la polarisation électrochimique. Par conséquent, une température plus élevée réduit la polarisation de la cathode, ce qui conduit à des grains cristallins plus grossiers. En production, l'augmentation de la température du bain est souvent utilisée pour améliorer la solubilité du sel et la conductivité de la solution. La température de dépôt doit être contrôlée avec précision afin de rester dans la plage optimale.

Prétraitement de surface

Avant le traitement de surface par électrodéposition, la pièce doit subir un prétraitement afin d'éliminer les bavures, les inclusions, les résidus, la graisse, la calamine (film d'oxyde) et les films de passivation. Un prétraitement adéquat permet d'obtenir une surface de métal de base propre et active, condition essentielle à la formation d'un revêtement continu, dense et adhérent. Un prétraitement insuffisant est une cause majeure de défauts tels que cloques, décollement, mauvaise adhérence, bavures et taches.

Processus de galvanoplastie

Le procédé de galvanoplastie comprend généralement trois étapes : le prétraitement de surface avant le placage, la galvanoplastie et le traitement post-placage.

Prétraitement de surface avant placage

Cette étape vise à obtenir une surface métallique de base propre et active, la préparant ainsi à recevoir un revêtement de haute qualité. Le prétraitement comprend principalement :

Meulage ou polissage : pour répondre aux exigences de rugosité de surface.

Dégraissage : Méthodes chimiques ou électrochimiques pour éliminer l'huile et la graisse.

Élimination de la rouille et du tartre : méthodes mécaniques, de décapage à l’acide ou électrochimiques.

Activation : Généralement, une brève immersion dans un acide faible permet de garantir l’activité chimique de la surface.

Début du traitement électrolytique

La méthode de galvanoplastie varie selon la forme, la taille et le volume de production de la pièce. La galvanoplastie sur support est la plus courante pour les pièces de dimensions standard ou importantes. Les pièces sont suspendues sur un support hautement conducteur, immergé dans la solution de galvanoplastie qui sert de cathode, les anodes étant positionnées de part et d'autre.

Un bon contact entre le support et la barre cathodique est essentiel. Un mauvais contact peut engendrer une résistance, notamment lors du chromage dur à courant élevé ou du placage décoratif avec agitation cathodique, provoquant des coupures de courant intermittentes. Il en résulte une mauvaise adhérence du revêtement et une uniformité d'épaisseur réduite, diminuant ainsi la résistance à la corrosion.

Pour les petites pièces ou les grandes séries, on utilise le traitement en tonneau. Les pièces sont placées dans un tonneau polygonal et entrent en contact avec la cathode interne par gravité, grâce à la rotation du tonneau, ce qui assure un dépôt uniforme. Le traitement en tonneau permet de réduire la main-d'œuvre, offre une productivité élevée, nécessite moins d'entretien, occupe moins d'espace au sol et produit des revêtements uniformes. Cependant, il n'est pas adapté aux pièces très grandes ou très légères. De plus, les bains de traitement en tonneau fonctionnent à une tension plus élevée, ce qui entraîne une montée en température plus rapide de la solution et un entraînement plus important de celle-ci.

Le placage au pinceau est utilisé pour le placage localisé ou la réparation. Le placage en continu est utilisé pour les fils et les bandes dans la production en grande série.

Traitement post-placage

Cette étape comprend la passivation, le traitement de la fragilisation par l'hydrogène (déshydrogénation) et le polissage de surface.

La passivation est réalisée pour améliorer la résistance à la corrosion du revêtement, accroître son éclat et renforcer ses propriétés anti-ternissement.

Le traitement de défragilisation par l'hydrogène consiste généralement en un traitement thermique à une température spécifique pendant plusieurs heures afin d'empêcher l'hydrogène absorbé pendant le placage de provoquer une fragilisation de la pièce.

Le polissage de surface est un procédé de finition appliqué au revêtement pour réduire la rugosité de surface, obtenir une finition décorative semblable à un miroir et améliorer encore la résistance à la corrosion.

Types de galvanoplastie

Une méthode courante de classification du plaquage électrolytique consiste à utiliser le métal ou l'alliage de plaquage appliqué sur le matériau du substrat.

Placage de zinc (Zn)

Le zingage est principalement utilisé comme revêtement protecteur pour l'acier. Sur les aciers, le zinc forme un revêtement anodique assurant une protection à la fois électrochimique (sacrificielle) et mécanique, ce qui confère une bonne résistance à la corrosion. L'efficacité de cette protection dépend de l'épaisseur et de la porosité du revêtement : plus le revêtement est épais et plus sa porosité est faible, meilleure est la résistance à la corrosion. L'épaisseur du revêtement de zinc varie généralement de 6 à 20 µm, et dépasse 25 µm pour les pièces exposées à des conditions extrêmes. La passivation de la couche de zinc multiplie sa capacité de protection par 5 à 8.

Les solutions de zingage sont classées en trois catégories : alcalines (par exemple, cyanure, zincate, pyrophosphate), neutres (par exemple, chlorure, sulfate brillant) et acides (par exemple, sulfate, chlorure d’ammonium). Grâce à son faible coût, sa bonne résistance à la corrosion, son aspect esthétique et sa longue durée de conservation, le zingage est largement utilisé dans l’industrie légère, l’instrumentation, la mécanique, l’agriculture et la défense. Cependant, le zinc étant toxique pour l’organisme, il n’est pas adapté à l’industrie alimentaire.

Lire la suite: Comparaison des propriétés | Zingage vs Nickelage

Placage de cuivre (Cu)

Le cuivrage est utilisé sur les métaux de base tels que le zinc et le fer. Le revêtement de cuivre sur ces métaux est cathodique. Si la couche de cuivre présente des défauts, des dommages ou des porosités, le métal de base agit comme une anode dans un milieu corrosif, accélérant sa corrosion, souvent plus rapidement que s'il était dépourvu de revêtement. Par conséquent, le cuivrage monocouche est rarement utilisé à des fins de protection et de décoration. Il est fréquemment utilisé comme sous-couche (couche intermédiaire) pour améliorer l'adhérence entre les revêtements suivants et le métal de base. Des sous-couches de cuivre épaisses, associées à de fines couches de nickel, permettent de réduire la porosité de la couche de nickel et de limiter la consommation de nickel. Les couches de cuivre peuvent également protéger localement la carburation ou la nitruration, car la diffusion et la pénétration du carbone et de l'azote dans le cuivre sont difficiles.

Il existe différents bains de cuivrage, notamment au cyanure, au sulfate, au pyrophosphate, au citrate, à l'acide nitrilotriacétique et au fluoborate.

Placage au chrome (Cr)

Le chrome est un métal blanc argenté légèrement bleuté. Il présente une excellente stabilité chimique dans l'atmosphère grâce à une forte passivation, formant une couche d'oxyde mince et dense. Le chrome est stable dans les alcalis, l'acide nitrique, l'acide sulfurique, les sulfures et de nombreux acides organiques, mais il se dissout dans les acides halogénés et l'acide sulfurique concentré chaud.

Placage de chrome Il offre une excellente résistance à la corrosion et une faible mouillabilité, ce qui lui confère des propriétés hydrophobes et oléophobes. Il présente également une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure et une bonne résistance à la chaleur. Son aspect et sa dureté restent pratiquement inchangés lorsqu'il est chauffé à l'air jusqu'à 500 °C ; l'oxydation débute au-delà de 500 °C et le ramollissement au-delà de 700 °C. Le chrome possède également une réflectivité élevée, juste après celle de l'argent.

Selon leur application, les revêtements de chrome se divisent en chromage protecteur et décoratif (couche mince, protégeant de la rouille et améliorant l'aspect) et en chromage fonctionnel (généralement plus épais, utilisé pour améliorer la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance aux hautes températures des pièces mécaniques). Le chromage fonctionnel est lui-même classé en chrome dur, chrome laiteux et chrome poreux.

La composition de la solution de chromage est relativement simple : le composant principal est l’anhydride chromique (CrO₃), et non un sel du métal de placage, auquel s’ajoutent de faibles quantités de catalyseurs tels que sulfate, fluorure ou fluorosilicate. Les alliages de plomb sont généralement utilisés comme anodes. L’anhydride chromique devant être constamment renouvelé, le chrome hexavalent (Cr(VI)) est très toxique ; c’est pourquoi le chrome trivalent (Cr(III)) est de plus en plus utilisé comme alternative.

Placage nickel (Ni)

Le nickel possède un éclat métallique blanc argenté aux reflets jaunâtres et est ferromagnétique. Il présente une forte capacité de passivation, formant un film protecteur mince à l'air libre, ce qui lui confère une grande stabilité chimique et un éclat durable et constant en surface. À température ambiante, le nickel offre une bonne résistance à la corrosion par l'atmosphère, l'eau, les alcalis, les sels et les acides organiques. Il se dissout lentement dans les acides chlorhydrique et sulfurique dilués, mais plus rapidement dans l'acide nitrique dilué. Il devient passif dans l'acide nitrique fumant et ne réagit pas avec les alcalis forts.

Le potentiel d'électrode du nickel est plus positif que celui du fer, ce qui en fait un revêtement cathodique pour le fer. Par conséquent, il assure une bonne protection à un substrat en acier. uniquement lorsque le revêtement est complet et sans défaut. Les revêtements en nickel étant généralement légèrement poreux, ils sont souvent utilisés dans des systèmes multicouches avec d'autres métaux pour améliorer la résistance à la corrosion, le nickel servant de sous-couche ou de couche intermédiaire pour réduire la porosité (par exemple, les combinaisons Cu/Ni/Cr ou Ni/Cr).

Les revêtements en nickel se divisent en deux catégories : les revêtements protecteurs-décoratifs et les revêtements fonctionnels.

Le nickelage protecteur et décoratif est utilisé pour la protection anticorrosion des aciers à faible teneur en carbone, des pièces moulées sous pression en zinc et de certains alliages d'aluminium et de cuivre. Un aspect décoratif brillant est obtenu soit par polissage d'un nickel semi-brillant, soit par dépôt direct d'une couche de nickel brillant. Le nickel s'altérant facilement à l'air, une fine couche de chrome est souvent déposée sur la couche de nickel brillant afin d'améliorer la résistance à la corrosion et l'esthétique.

Le nickelage fonctionnel est principalement utilisé pour réparer les pièces usées, corrodées ou surdimensionnées. Ces revêtements sont généralement appliqués avec une épaisseur supérieure à celle requise, puis usinés mécaniquement pour obtenir les dimensions spécifiées.

Les principaux sels utilisés dans le nickelage sont le sulfate de nickel et le chlorure de nickel.

Galvanoplastie d'alliages

Le dépôt électrolytique d'alliages est une méthode d'amélioration des performances des revêtements, permettant de produire des centaines de revêtements aux propriétés diverses. Cette technique est particulièrement efficace pour résoudre les problèmes liés à la décoration, la résistance à la corrosion, la résistance à l'usure, le magnétisme, la soudabilité et la conductivité.

Les alliages produits par électroplacage présentent des caractéristiques uniques par rapport à ceux produits par fusion thermique :

1. Il est possible d'obtenir des alliages composés de métaux à point de fusion élevé et de métaux à point de fusion bas.
2. Il est possible d'obtenir des alliages qui ne figurent pas sur le diagramme de phase de la fusion thermique.
3. Il est possible de produire des alliages amorphes très denses et dotés d'excellentes propriétés.
4. Il est possible de former des alliages difficiles à déposer sous forme de métaux purs à partir de solutions aqueuses.
5. Dans certaines conditions contrôlées, les métaux ayant des potentiels plus négatifs peuvent être déposés de manière préférentielle.

Les revêtements en alliage sont classés selon l'élément majoritaire (par exemple, alliages à base de cuivre, d'argent, de zinc ou de nickel). L'alliage cuivre-étain est un revêtement largement utilisé grâce à sa faible porosité, sa bonne résistance à la corrosion, sa facilité de polissage et son aptitude au chromage direct. Le placage au cyanure d'alliage cuivre-étain est fréquemment employé car la composition et la couleur du revêtement sont faciles à contrôler, et la solution possède un bon pouvoir couvrant. Cependant, son principal inconvénient réside dans l'utilisation de grandes quantités de cyanure, un produit hautement toxique, qui exige des mesures de sécurité strictes.

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