Qu'est-ce que la phosphatation ?
La phosphatation est une traitement de surface Ce procédé consiste à mettre un matériau en contact avec une solution de phosphatation, formant ainsi un revêtement de conversion phosphaté à sa surface par des réactions chimiques et électrochimiques. Ce revêtement est constitué d'une série de cristaux insolubles dans l'eau, de tailles variables. Des structures poreuses fines se forment aux jonctions entre ces cristaux. Cette structure cristalline poreuse améliore l'adsorption en surface, la résistance à la corrosion, la réduction du frottement, les propriétés anti-grippage et la résistance à l'usure de la pièce.
La phosphatation peut être appliquée à des matériaux tels que l'acier, la fonte, l'aluminium, le zinc, le magnésium et leurs alliages.
La phosphatation des surfaces métalliques remplit principalement deux objectifs.
- La première fonction est de servir de couche de base pour la peinture ou le revêtement, améliorant ainsi l'adhérence du revêtement et la qualité de la finition de surface.
- Le second objectif est d'améliorer les propriétés fonctionnelles de la surface métallique, notamment l'isolation électrique, la lubrification, la réduction du frottement, la résistance à la corrosion et à l'usure. Pour de nombreux composants mécaniques et fixations, la phosphatation vise à améliorer la fonctionnalité de surface, en particulier la résistance à la corrosion et les propriétés anti-grippage.
Types de phosphatation
Dans la plupart des cas, un traitement de surface ne produit qu'un seul aspect ou une seule couleur caractéristique. Cependant, les traitements de phosphatation peuvent donner différentes couleurs selon les produits chimiques utilisés et l'application prévue. C'est pourquoi les surfaces phosphatées présentent souvent des finitions grises, irisées ou noires.
Phosphatation au fer
Après traitement, la phosphatation à base de fer produit un aspect irisé ou bleuâtre ressemblant à un arc-en-ciel, c'est pourquoi on l'appelle souvent phosphatation colorée.
La solution de phosphatation est principalement composée de molybdates et forme un revêtement phosphaté irisé sur l'acier. Ce type de phosphatation est surtout utilisé comme couche de prétraitement avant peinture ou revêtement, améliorant la résistance à la corrosion et l'adhérence entre le substrat et les revêtements ultérieurs.
Phosphatation au zinc
Le phosphatage au zinc produit généralement un revêtement de couleur grise et est donc communément appelé phosphatage gris ou phosphatage en film gris.
La solution de phosphatation est principalement composée d'acide phosphorique, de fluorure de sodium, d'émulsifiants et d'additifs. Un revêtement de phosphate gris se forme à la surface de la pièce et sert principalement de couche de base pour les finitions ultérieures telles que le revêtement en poudre, la peinture au pistolet, etc. revêtement électrophorétique.
Le revêtement de phosphate gris offre lui-même une certaine résistance à la corrosion. Il peut donc être utilisé seul comme revêtement anticorrosion sur les surfaces des composants. La phosphatation au zinc est couramment appliquée aux tôles d'acier galvanisé, aux tôles d'acier laminées à froid et aux tôles d'aluminium.
Phosphatation au manganèse
La phosphatation au manganèse produit une finition de surface noire ou gris foncé et est donc également connue sous le nom de phosphatation noire.
Ce procédé utilise des solutions de phosphatation contenant des ions manganèse, qui forment un revêtement de phosphate noir à la surface de la pièce. Parmi tous les traitements de phosphatation, la phosphatation au manganèse offre la meilleure protection contre la corrosion. Elle constitue un traitement anticorrosion durable pour les composants mécaniques et figure parmi les procédés de phosphatation protecteurs les plus répandus.
Comparé à d'autres revêtements de phosphatation, le revêtement au phosphate de manganèse présente un coefficient de frottement plus faible. De ce fait, la phosphatation noire est particulièrement adaptée aux composants soumis à des frottements ou des contacts glissants fréquents, car elle réduit efficacement l'usure et le frottement. On la retrouve notamment dans les composants automobiles, les fixations et diverses pièces mécaniques mobiles.
Solution de phosphatation
En fonction du type de matériau et de l'objectif de la phosphatation, différentes formulations de solutions de phosphatation peuvent être sélectionnées. Les systèmes de phosphatation courants comprennent les formulations à base de zinc, de zinc-manganèse et de manganèse. Selon la température de fonctionnement, on distingue les solutions de phosphatation à température ambiante, à basse température (40–50 °C), à température moyenne (60–80 °C) et à haute température (85–100 °C).
Pour les pièces mécaniques et les fixations, la phosphatation vise principalement à améliorer l'aspect de surface. C'est pourquoi on utilise couramment des systèmes de phosphatation au zinc-manganèse et au manganèse à moyenne ou haute température. Actuellement, la plupart des fabricants de produits de phosphatation utilisent des solutions de phosphatation au zinc-manganèse, qui répondent généralement aux exigences industrielles.
Tableau 1 Formulations de phosphatation au zinc
| Composant (g/L) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| sel de phosphate de manganèse-fer (sel de parkerisation) [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-45 | 30-35 | 30-40 | - | 30-35 |
| Phosphate de dihydrogène de zinc [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O] | 30-40 | - | - | - | 30-40 | - |
| Nitrate de zinc [Zn(NO₃)₂·6H₂O] | 80-100 | 100-130 | 80-100 | - | 55-65 | 55-65 |
| Nitrate de manganèse [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 20-30 | - | 15-25 | - | - |
| Nitrate de nickel [Ni(NO₃)₂·6H₂O] | - | - | - | - | - | - |
| Acidité libre FA (points) | 5.0-7.5 | 6-9 | 5-7 | 3.5-5.0 | 6-9 | 5-8 |
| Acidité totale TA (points) | 60-80 | 85-100 | 50-70 | 35-50 | 40-58 | 40-60 |
| Température (° C) | 60-70 | 55-70 | 60-70 | 94-98 | 90-95 | 90-98 |
Pour les produits de qualité nucléaire, un traitement au phosphate de manganèse est indispensable. Les formulations de phosphatation au manganèse recommandées sont présentées ci-dessous.
Tableau 2 Formulations de phosphatation au manganèse
| Composant (g/L) | Formule 1 | Formule 2 |
|---|---|---|
| Phosphate de manganèse [Mn(H₂PO₄)₂] | 20-30 | - |
| Acide phosphorique (85 % H₃PO₄) | 2-3 | - |
| Acide nitrique (HNO₃) | 4-6 | - |
| fluoroborate de sodium (NaBF₄) | 1 | - |
| EDTA | 0.6 | - |
| sel de phosphate de manganèse-fer [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-40 |
| Nitrate de manganèse [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 15-25 |
| FA (points) | 3-5 | 3.5-5 |
| TA (points) | 35-45 | 35-50 |
| Température (° C) | 75-80 | 94-98 |
Principaux composants des solutions de phosphatation
(1) Dihydrogénophosphate de zinc [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O]
Le dihydrogénophosphate de zinc est un excellent sel basique pour les systèmes de phosphatation au zinc et au manganèse. Son principal avantage réside dans la formation rapide d'un film, à condition que sa concentration soit rigoureusement contrôlée. L'augmentation de sa concentration accroît également l'acidité de la solution de phosphatation.
(2) Sel parkerisant [xFe(H₂PO₄)·yMn(H₂PO₄)₂]
Également connu sous le nom de sel de phosphate de fer-manganèse, le sel de parkerisation favorise une phosphatation rapide, une forte résistance à la corrosion, la formation de cristaux uniformes et un bon aspect du revêtement. Cependant, une utilisation prolongée peut entraîner un vieillissement de la solution, au cours duquel les ions Mn²⁺ s'oxydent en Mn⁷⁺, réduisant ainsi la qualité de la phosphatation.
(3) Nitrate de manganèse [Mn(NO₃)₂·6H₂O]
Le nitrate de manganèse fournit principalement les ions Mn²⁺ au bain de phosphatation. Il est souvent utilisé avec un sel de parkerisation pour accélérer la réaction de phosphatation, réduire la température de traitement et améliorer la stabilité du revêtement.
(4) Nitrate de nickel [Ni(NO₃)₂·6H₂O]
Le nickel favorise la formation de germes cristallins de phosphate de nickel sur les surfaces d'acier, accélérant ainsi la formation du film de phosphate. Il affine et homogénéise également la structure du revêtement, améliorant la résistance à la corrosion et l'aspect de surface.
(5) Nitrate de zinc [Zn(NO₃)₂·6H₂O]
Le nitrate de zinc agit principalement comme accélérateur de phosphatation en fournissant des ions Zn²⁺ et NO₃⁻. Il augmente la vitesse de phosphatation, affine la structure cristalline, améliore la résistance à la corrosion et stabilise le bain de phosphatation. Cependant, sa concentration doit être strictement contrôlée.
Procédés de phosphatation
Le procédé de phosphatation fonctionnelle des matériaux en acier comprend généralement les étapes suivantes :
Dégraissage chimique → Rinçage à l'eau → Décapage → Rinçage à l'eau → Traitement de surface → Phosphatation → Rinçage à l'eau → Passivation → Savonnage → Rinçage à l'eau → Rinçage à l'eau déminéralisée → Séchage → Déshydrogénation → Scellement à l'huile
(*Les processus entre parenthèses sont facultatifs.)
1. Dégraissage chimique
Avant la phosphatation, les surfaces des pièces contiennent inévitablement des contaminants graisseux et huileux. La présence d'huile augmente la tension superficielle, inhibe la formation du film de phosphate, réduit l'adhérence du revêtement et entraîne une phosphatation non uniforme. Par conséquent, les huiles de surface doivent être éliminées avant la phosphatation afin de garantir la qualité du revêtement.
Le choix de la méthode de dégraissage dépend de l'état de la surface, du coût et des exigences de traitement des eaux usées. On peut utiliser des solvants organiques, des dégraissants acides ou légèrement alcalins, ces derniers étant les plus courants.
2. Rinçage à l'eau
Cette étape élimine les contaminants résiduels issus du processus de dégraissage et nettoie la surface de la pièce.
3. Décapage
Le décapage sert principalement à éliminer la calamine et la rouille des pièces. Pour les surfaces usinées exemptes de calamine et de rouille, cette étape peut être omise. Pour les applications exigeantes, un traitement de neutralisation peut également être nécessaire après le décapage.
4. Rinçage à l'eau
Cette étape permet d'éliminer les résidus restants après le décapage et de nettoyer la surface de la pièce.
5. Conditionnement de surface
Le conditionnement de surface consiste à activer la surface de la pièce dans une solution contenant des agents de conditionnement avant la phosphatation. Ce procédé nettoie davantage la surface, améliore son activité et favorise la formation de nombreux germes cristallins ultrafins, optimisant ainsi la cristallisation du phosphate et améliorant l'uniformité, la densité et la qualité du revêtement.
Selon leur formulation, les agents de conditionnement peuvent être alcalins, acides ou spécialement conçus pour les systèmes au phosphate de manganèse. Le conditionnement de surface est obligatoire pour les produits de qualité nucléaire.
6. Phosphatation
La phosphatation est l'étape de procédé la plus fondamentale et la plus critique et exige donc le contrôle qualité le plus strict.
La composition de la solution de phosphatation doit être rigoureusement contrôlée conformément aux exigences du procédé. Après une utilisation prolongée, la composition du bain peut se modifier en raison du vieillissement et de la formation de boues. À ce stade, une analyse chimique et un ajustement de la solution sont nécessaires.
Les modifications de la composition du bain se traduisent également par des variations de l'acidité totale (AT) et de l'acidité libre (AL). Par conséquent, le suivi de l'AT et de l'AL constitue une méthode efficace pour le contrôle du bain.
La température du bain est un autre facteur clé qui influe sur la qualité de la phosphatation. Elle influe sur la vitesse de formation du revêtement et sur l'épaisseur du film.
- Des températures excessivement élevées accélèrent les réactions, grossissent la structure cristalline, augmentent la porosité et réduisent la résistance à la corrosion.
- Des températures excessivement basses ralentissent la formation du revêtement et réduisent son épaisseur, ce qui rend difficile le respect des exigences du processus.
7. Rinçage à l'eau
Cette étape permet d'éliminer les résidus de la surface phosphatée. Pour obtenir des pièces phosphatées de haute qualité, il convient d'utiliser de l'eau déminéralisée afin d'éviter la formation de dépôts minéraux sur le revêtement phosphaté.
8. Passivité
La passivation dissout les aspérités du revêtement phosphaté, uniformisant ainsi sa morphologie et ses performances. Elle réduit également sa porosité, améliorant de ce fait sa résistance à la corrosion et à l'usure.
Formulations de passivation typiques :
Formule 1
- Na₂CO₃ : 4–6 g/L
- Température : 80–85°C
- Durée d'immersion : 5 à 10 min
Formule 2:
- CrO₃ : 1–3 g/L
- Température : 75–85°C
- Durée d'immersion : 8 à 12 min
Formule 3:
- K₂Cr₂O₇ : 50–80 g/L
- pH: 2-4
- Température : 60–80°C
- Durée d'immersion : 8 à 12 min
9. Traitement au savon
Le saponification consiste à immerger la pièce phosphatée dans une solution de stéarate de sodium (savon). Une réaction de saponification se produit entre le revêtement phosphaté et le stéarate de sodium, formant un film de savon qui réduit la porosité et améliore la résistance à la corrosion.
Pour les pièces phosphatées à usage général, le savonnage peut remplacer la passivation.
Formulations courantes de savon
Formule 1:
- Savon : 80–100 g/L
- Température : 40–50°C
- Durée d'immersion : 10 à 20 min
Formule 2:
- Savon : 6–8 g/L
- Température : 80–90°C
- Durée d'immersion : 3 à 5 min
Après immersion, la surface doit être essuyée avant utilisation.
10. Séchage
Le séchage a pour but d'éliminer l'humidité de la surface de la pièce phosphatée. Il convient d'accorder une attention particulière aux trous et aux rainures où l'eau résiduelle pourrait provoquer de la corrosion.
Les méthodes de séchage peuvent inclure le séchage naturel ou le séchage au four, selon le type de revêtement et la géométrie de la pièce.
11. Traitement par déshydrogénation
De l'hydrogène est généré lors de la phosphatation. Certains atomes d'hydrogène restent inévitablement piégés dans le revêtement de phosphate. Ces atomes d'hydrogène résiduels peuvent réduire la résistance à la corrosion et potentiellement provoquer une fragilisation par l'hydrogène.
Bien que la quantité d'hydrogène résiduel soit relativement faible, elle peut réduire la ténacité des matériaux, notamment des matériaux à haute résistance.
Par conséquent, les matériaux à haute résistance utilisés dans les composants critiques doivent subir un traitement de déshydrogénation après phosphatation. Par exemple, dans les produits destinés à l'énergie nucléaire, les matériaux dont la résistance à la traction dépasse 1 450 MPa doivent subir un traitement thermique à 100 °C ± 5 °C pendant plus de 8 heures après phosphatation.
12. Étanchéité à l'huile
Le traitement par huilage consiste à immerger les pièces phosphatées dans de l'huile, de préférence chaude (80–100 °C), pendant 3 à 4 minutes. Ce procédé forme un film d'huile sur toute la surface et permet à l'huile de pénétrer dans les pores du revêtement phosphaté, améliorant ainsi considérablement la résistance à la corrosion et la durabilité à long terme.
Pour les composants des centrales nucléaires, une graisse lubrifiante contenant du disulfure de molybdène (sauf pour les pièces en contact avec les fluides du circuit primaire) ou du graphite peut également être appliquée pour assurer l'étanchéité.
Contrôle de la qualité de la phosphatation
Le contrôle de la qualité des revêtements phosphatés comprend généralement l'examen de leur aspect, de leur épaisseur, de leur résistance à la corrosion et de leur résistance à l'usure.
Inspection de l'apparence
L'inspection visuelle évalue la couleur, la continuité et l'intégrité du revêtement.
Sous un niveau d'éclairage de 500 lx (approximativement équivalent à l'éclairage sur une surface de composant située à 30 cm d'une ampoule de 100 W), l'inspection visuelle doit confirmer que le revêtement de phosphate est uniforme, continu et exempt de discontinuités ou de marbrures.
Différents matériaux et méthodes de phosphatation peuvent produire différentes couleurs de revêtement. Si des exigences de couleur spécifiques sont présentes, la formulation de phosphatation doit être soigneusement sélectionnée au préalable.
Inspection de l'épaisseur du revêtement
Pour les pièces critiques, l'épaisseur du revêtement phosphaté doit être mesurée après traitement.
- Des jauges d'épaisseur magnétiques peuvent être utilisées pour les matériaux ferreux.
- Des méthodes métallographiques en coupe transversale peuvent également être utilisées.
Les revêtements phosphatés étant minces et fragiles, des précautions doivent être prises lors de la préparation des échantillons afin d'éviter l'arrondissement des bords ou le décollement du revêtement.
Inspection du poids du revêtement
Ce test mesure la masse du revêtement par unité de surface (g/m²).
La formule de calcul est : W = (P1 – P2)/S]*10
Où? :
- ( W ) — masse de revêtement par unité de surface, g/m²
- ( P1 ) — masse de l'échantillon après phosphatation, mg
- ( P2 ) — masse de l'échantillon après élimination du revêtement, mg
- ( S ) — surface totale de l'échantillon, cm²
L'épaisseur du revêtement peut également être estimée approximativement à partir de son poids.
Tableau 3 Relation approximative entre l'épaisseur et le poids du revêtement
| Épaisseur du revêtement (μm) | 1-2 | 2-4 | 4-6 | 6 |
|---|---|---|---|---|
| Poids du revêtement (g/m²) | 1-2 | 2.2-4.4 | 6-9 | 12 |
Essais de résistance à la corrosion
La résistance à la corrosion est principalement évaluée à l'aide de milieux corrosifs.
Test de corrosion au chlorure de sodium
Après un stockage de 48 heures dans une chambre de dessiccation, l'échantillon phosphaté est immergé pendant 1 heure dans une solution de NaCl à 3 % à une température de 15 à 25 °C. Après rinçage et séchage, aucune corrosion visible ne doit apparaître.
Test de dépistage du sulfate de cuivre
Conformément à la norme GB/T 5936, une solution de sulfate de cuivre est déposée sur la surface du revêtement phosphaté. Aucun dépôt de cuivre rouge ne doit apparaître dans le délai imparti.
Composition typique des réactifs :
- CuSO₄ : 5–8 %
- Équilibre : eau
Test de pulvérisation de sel
Conformément à la norme GB/T 10125, les échantillons phosphatés sont exposés à un brouillard salin dans une chambre de corrosion. Aucune corrosion ne doit apparaître pendant la durée d'essai spécifiée.
Test de résistance à l'usure
Les essais de résistance à l'usure peuvent être effectués conformément à la norme GB/T 5932 en utilisant des méthodes de frottement humide ou sec.
Les méthodes d'inspection spécifiques et les critères d'acceptation doivent être sélectionnés en fonction des exigences d'application de la pièce.
Planification des procédés de phosphatation
La phosphatation étant généralement l'étape finale de fabrication, les conditions suivantes doivent être remplies avant le traitement :
- Tous les procédés de fabrication, y compris le soudage et le traitement thermique, doivent être achevés.
- Toutes les inspections et tous les tests requis doivent être effectués et conformes aux spécifications techniques.
- L'usinage final avant phosphatation doit garantir que les dimensions, les tolérances, la géométrie et la rugosité de surface sont conformes aux spécifications du plan. Pour les pièces de haute précision, il convient de prévoir une surépaisseur pour compenser l'augmentation d'épaisseur du revêtement.
- Rugosité de surface La phosphatation affecte significativement la qualité du revêtement.
Dans des conditions de phosphatation identiques :
- Les surfaces plus lisses sont moins susceptibles à la corrosion dans le bain de phosphatation, ce qui entraîne une formation de revêtement plus lente, des revêtements plus minces, une couleur plus claire et des structures plus denses.
- Les surfaces plus rugueuses ont tendance à former des revêtements plus épais et plus foncés, mais l'uniformité du revêtement diminue et la structure devient plus poreuse.
Par conséquent, les spécifications de rugosité de surface appropriées doivent être soigneusement sélectionnées en fonction des exigences de l'application.
