Anodisation

Pour se protéger de l'effet des agents atmosphériques, l’aluminium se recouvre naturellement d’une fine pellicule d’oxyde. L’épaisseur plus ou moins régulière de cette couche d’Al₂O₃ est de l'ordre de 0,01 micron sur le métal qui vient d’être décapé et peut atteindre 0,2 ou 0,4 micron sur le métal étant passé par un four à recuire.

Pour pouvoir souder, cette couche doit d'abord être éliminée au moyen de procédés chimiques ou mécaniques.

Il est possible de créer de façon artificielle des pellicules d’oxyde beaucoup plus épaisses, dont les caractéristiques sont différentes de celles de la couche naturelle, plus protectrices, à l’aide de procédés chimiques et électrolytiques. Le processus d'anodisation permet de former des couches dont l’épaisseur peut, selon les souhaits, mesurer de quelques microns à 25/30 microns dans les traitements de protection ou de décoration, et atteindre 100 microns, voire plus, à travers des processus de durcissement superficiel, autrement dit l'anodisation dure.

Si on remplit une cuve d’eau rendue conductrice en y ajoutant une petite quantité d'acide, de base ou de sel, et que l’on introduit dans cet électrolyte une cathode (pôle négatif), inattaquable (nickel ou plomb) et une anode en aluminium, on observe un détachement d’hydrogène sur la cathode, mais aucun sur l'anode.

D’autre part, on observe également que l’anode en aluminium s’est recouverte d’une pellicule d'alumine. L’oxygène provenant de la dissociation électrolytique de l’eau a été utilisé pour oxyder l’aluminium de l’anode ; d’où l’expression « Oxydation anodique » utilisée autrefois et remplacée par le terme « Anodisation » actuel. La nature de l’électrolyte a une importance capitale sur les phénomènes qui se produisent sur la surface anodique.

Il existe essentiellement deux types de réactions anodiques, qui présentent différentes variantes :

1. Les électrolytes qui n’ont pas d’effet dissolvant sur la couche d’oxyde permettent la formation d’une pellicule très adhérente et non conductrice. La pellicule continue à augmenter jusqu’à ce qu’elle atteigne une résistance électrique suffisamment élevée pour empêcher la circulation du courant vers l'anode. Dans ce cas, la couche formée est appelée « couche barrière ».
2. Avec les électrolytes qui ont un effet dissolvant sur la couche d’oxyde, si le métal est lui-même dissous et si les produits de réaction sont solubles dans l’électrolyte, aucune couche d’oxyde ne se forme. Le procédé d'anodisation en milieu sulfurique est le plus utilisé, en raison des conditions économiques d’exploitation, des résultats satisfaisants obtenus et des moyens utilisés pour les obtenir.

La nature du métal de base (aluminium non allié de différentes puretés et alliages) joue un rôle capital sur les résultats et les moyens à utiliser pour les obtenir.

1. LE MÉCANISME D’OXYDATION DISSOLUTION

D’après la théorie de formation de couches d’oxyde poreuses, il faut retenir les deux facteurs essentiels suivants :

1. La croissance de la couche d’oxyde de l’extérieur vers l'intérieur, en conséquence d’un phénomène électrochimique pur, dont ressort une certaine vitesse d’oxydation Vo.
2. La dissolution de la couche d’oxyde à mesure de sa formation en raison d’un phénomène purement chimique (naturellement, en rapport avec le phénomène électrique), dont ressort une certaine vitesse de dissolution Vd.

2. FORMATION DE COUCHES POREUSES

Si une pièce en aluminium est oxydée dans une solution à effet dissolvant sur la couche d’alumine, on observe que l’intensité du courant, pour une tension déterminée, diminue très rapidement, mais se stabilise immédiatement à un niveau plus élevé. Au bout de quelques secondes d’électrolyse, une véritable couche barrière se forme et s’approche de la valeur limite de 14 A/V.

L'oxyde formé dans cet état consiste en une alumine anhydre, à l’état amorphe (Al₂O₃). Or, il a été récemment découvert que cette couche est composée d’un empilement de cellules hexagonales juxtaposées, dont le centre, pour être plus précis, est constitué d'alumine amorphe peu résistante aux acides, tandis que la périphérie est formée d’alumine cristalline très résistante aux acides. Il apparaît ainsi une multitude de points d’attaque à la surface de la couche barrière en conséquence de l'effet de dissolution de l’électrolyte sur la pellicule, qui se produit au centre des cellules d’alumine et qui constitue le début de la formation des pores.

Chaque point d’attaque peut être considéré comme une source de courant servant de point de départ du développement d’un champ de potentiel sphérique ; les ions qui se présentent à la séparation de l’oxyde fournissent l'oxygène naissant qui transforme en oxyde la portion de sphère de métal correspondante ; simultanément, l’effet de dissolution continue à se manifester sur la base du pore et tend à réduire l’épaisseur de la couche barrière où il se prolonge ; le pore se creuse davantage, les ions pénètrent de façon préférentielle, produisent de la chaleur et tendent à favoriser la dissolution. Ils produisent ainsi un front de progression hémisphérique de la cellule qui se développe, par conséquent, de l’extérieur vers l’intérieur du métal à partir du fond des pores.

Parmi les différents systèmes d’anodisation, nous en avons sélectionné deux des plus commerciaux : anodisation de protection et anodisation dure.

1- ANODISATION DE PROTECTION

Le schéma d’un processus d'anodisation à partir d’un profilé ou d’une plaque pourrait être représenté selon les étapes suivantes :

1. Préparation superficielle du matériau par
   • a_Polissage à la brosse de coton
   • b_Ponçage au papier abrasif
   • c_Grattage à la brosse métallique
   • d_Autres types de polissage
2. Dégraissage
   • a_Acide pour le rodage, grattage, etc.
   • b_Alcalin pour le polissage
3. Lavage à l’eau en circulation et sous régénération continue
4. Décapage de nettoyage (à la soude caustique à 5 % dans de l’eau à 45-50 ºC) ou décapage pour finition mate directe, ou polissage chimique ou électrolytique
5. Lavage à l’eau en circulation et sous régénération continue
6. Neutralisation (acide nitrique 60ºBe à 50 % dans de l’eau à température ambiante)
7. Lavage à l’eau en circulation et sous régénération continue
8. Oxydation anodique (acide sulfurique à 20 % dans de l'eau à une température de 19-20 ºC et courant continu à 1,5 A/dm²)
9. Lavage à l’eau en circulation et sous régénération continue
10. Coloration | De par sa structure, la couche d’oxyde formée en milieu sulfurique ressemble aux fibres textiles et peut, tout comme elles, être teintée au moyen de colorants spéciaux dérivés des colorants de l’industrie textile. Comme la couche est transparente, la brillance du métal de base est transmise et permet d’obtenir des aspects qu’aucun autre traitement par peinture ou vernis n’est susceptible d’égaler. Les colorants utilisés pour la coloration de l’aluminium peuvent être organiques ou minéraux.
    • a_Coloration organique | Pour ce traitement, de nombreux types de colorants peuvent être utilisés. Leurs différences résident essentiellement dans le mécanisme d’absorption. La plupart sont absorbés par capillarité. Il s'agit en particulier des groupes de colorants acides et de colorants dits « substantifs », comme l’alizarine et l’indigo.

      D’autres donnent lieu à une combinaison chimique avec l’aluminium, comme les colorants à base de complexes métalliques, les colorants diazo et les colorants basiques. Ces derniers exigent un traitement à l'aide de substances collagènes et sont peu utilisés en raison de leur faible résistance à la lumière.

      Ce type de coloration s’emploie pour les applications générales à colorer et qui ne sont pas exposées aux intempéries.

    • b_Coloration électrolytique | Ce traitement fait usage d’oxydes métalliques, qui se fixent dans les porosités de la couche d’oxyde et sont très résistants à lumière ainsi qu’à la chaleur.

      Employée dans des applications générales nécessitant des couleurs solides et exposées aux intempéries.

11. Lavage à l’eau en circulation et sous régénération continue
12. Colmatage ou fixation | L’expérience a démontré qu’une couche d’oxyde de 20 microns formée sur de l’aluminium et non colmatée disparaît en quelques heures dans une solution décinormale d'acide nitrique. Cette même couche parfaitement colmatée ne subit pratiquement aucune perte au bout de 1200 heures d’immersion. En réalité, la résistance aux acides constitue une des principales caractéristiques de l’alumine formée lors du colmatage ou la fixation.

    Pour les applications d’architecture, il est indispensable de colmater dans l’eau très pure, pratiquement avec de l'eau déminéralisée, voire déionisée. La procédure la plus courante pour la déminéralisation est l’échange anionique et cationique avec des résines spéciales échangeuses d’ions. Il s'agit d’obtenir un double échange d’ions (installation de deux corps) et pas uniquement un simple adoucissement de l'eau qui, en raison de la transformation des éléments insolubles en sels solubles, entraîne le risque de produire des corps nocifs pour la qualité du colmatage ou de la fixation. La température de l’eau est déterminée par la température d’ébullition (en pratique 97 à 100 ºC) afin que l’hydratation puisse se produire de façon très lente au contact des molécules d’eau à basse température. Il est recommandé de maintenir le pH entre 5,5 et 6,5. Le réajustement s'effectue à l'aide de soude, de carbonate de soude ou d’acides sulfuriques, acétiques et boriques.

2- ANODISATION DURE

L’anodisation permet d’obtenir des couches considérablement plus dures que la couche classique (et en particulier plus dures que celles obtenues en milieu sulfurique oxalique) dans un milieu sulfurique pur, à condition de réduire les pourcentages de dissolution à une valeur extrêmement faible, suffisante pour permettre le passage des ions dans les pores, qui deviennent des canaux très fins. Ces résultats s’obtiennent en anodisant à très basse température (0 ºC) dans un milieu électrolytique de 10 à 15 % d'acide sulfurique, avec une densité de courant élevée (3 A/dm2). La tension, initialement de 10 V, peut atteindre 80 à 100 V selon la nature de l’alliage. Une agitation énergique est ensuite nécessaire ainsi qu’une réfrigération efficace. De cette façon, il est possible d’obtenir des couches très épaisses à une vitesse de 50 microns/heure. À l’heure actuelle, les couches obtenues sont d’environ 150 microns, selon le processus et l’alliage. La dureté de ces couches est comparable à celle du chrome dur, leur résistance à l’abrasion et au frottement est considérable. Leur utilisation pour les pièces mécaniques est de plus en plus répandue, en raison de la meilleure connaissance de l’aluminium, de ses caractéristiques mécaniques et de ses nouvelles applications. Comme il s'agit, en général, de pièces dont les tolérances dimensionnelles sont étroites, lors de l’usinage, il faut tenir compte de la croissance des cotes, qui peut être de 50 % de l’épaisseur effective de la couche.

Tous les alliages sont susceptibles de convenir à l'anodisation dure, excepté ceux qui contiennent du cuivre, car ce dernier a tendance à se dissoudre même à basse température et perturbe le traitement.

Les couches dures sont obtenues aux dépens de la flexibilité qui se trouve réduite et limite ainsi leur utilisation à des applications qui ne sont pas censées être soumises à des chocs électriques importants, car la pellicule risquerait de se briser sous l'effet des dilatations conséquentes.

Pour les mêmes raisons, ces couches ne sont pas susceptibles d’être colmatées (fixées) à l’eau bouillante. En revanche, elles peuvent être imprégnées de corps gras et de lubrifiants.

_Propriétés de l’anodisation dure | Nous pouvons notamment citer les suivantes :

• _Résistance à l’abrasion, car l’alumine est un corps extrêmement dur, légèrement moins que le diamant, qui lui confère une résistance à l’usure superficielle supérieure à de nombreux types d’acier.
• _Résistance électrique. L’alumine est un isolant électrique d’excellente qualité, supérieure à celle de la porcelaine, dont le degré d’isolation dépend de la porosité. Cet isolant s'avère par ailleurs très sensible à la présence d’impuretés sur le métal et il est généralement caractérisé par la mesure de la tension de rupture.
• _Résistance chimique. La couche anodique protège efficacement le métal de base contre l'action de nombreux milieux agressifs. Pour cette raison, elle est de plus en plus utilisée dans les secteurs navals et industriels pour protéger certaines pièces contre la corrosion.
• _Porosité secondaire ou ouverture plus ou moins prononcée à l’entrée des pores en raison de l’effet de dissolution du bain. Cette porosité se manifeste essentiellement sur la partie extérieure de la pellicule et elle est exploitée dans les techniques de coloration et d’imprégnation.

PROCÉDÉ ANESDUR

Para conserver toute la capacité de l’alumine, il faut utiliser un électrolyte à faible activité chimique à basse température, afin de limiter la redissolution de la pellicule formée. L’anodisation dure s’applique normalement sur les alliages à teneur limitée en éléments d’alliage. Le système Anesdur permet d’obtenir des couches supérieures à 150 microns avec des alliages d’aluminium qui peuvent contenir : 
_Jusqu’à 6 % de Mg (magnésium) 
_Jusqu’à 5 % de Cu (cuivre) 
_Jusqu’à 8 % de Zn (zinc) 
_Jusqu’à 13 % de Si (silicium)

En plus des caractéristiques mécaniques de la couche obtenue à travers ce procédé, sa forte épaisseur permet aussi de récupérer des pièces usées en raison d’un défaut.

Les alliages présentant une bonne aptitude à l’anodisation sont parfaitement définis sur les pages correspondantes. Lors du choix du matériau pour une anodisation dure, il est très important de vérifier la pièce à usiner et de choisir l'alliage également en fonction de ses caractéristiques et de sa résistance mécanique.