REPÈRES HISTORIQUES ET INTRODUCTION AU CHROMAGE
En 1791, Galvani inventa la pile qui permit par la suite le développement de la galvanoplastie, c’est-à-dire le dépôt de métal sur les surfaces conductrices. Les premiers électrolytes pour le chromage industriel ont été introduits dans la seconde moitié du XIXe siècle et perfectionnés au début du XXe siècle. Mis à part de petites variations dans les formulations des électrolytes de chromage, jusqu’à nos jours, le composant de base du bain de chromage est l’anhydride chromique CrO3 appelé acide chromique lorsqu’il est en solution. Le chrome dans cet électrolyte est sous forme hexavalente et ses sels sont appelés chromates.
En raison de la forte toxicité du chrome sous sa forme hexavalente (Cr VI), de fortes restrictions sont actuellement imposées à son utilisation. En revanche, le chrome métallique, même s’il est déposé par des bains de chrome hexavalent, n’a pas de limites d’utilisation car il est inerte et sa dissolution dans des environnements agressifs n’est pas non plus problématique car il se transforme du chrome zerovalent (Cr°) en chrome trivalent (Cr III) non toxique.
En raison de la dangerosité du chrome hexavalent, le règlement REACh a limité son utilisation aux entreprises qui ont obtenu l’autorisation. C’est pourquoi, au cours des dernières années, des électrolytes ont été développés qui utilisent du chrome trivalent, au lieu du chrome hexavalent, pour le chromage décoratif. Il n’existe à ce jour aucune alternative au chrome hexavalent pour le chromage dur à épaisseur.
Les propriétés du chrome métallique déposé par électrolyse sont bien connues et l’utilisation du chromage est encore l’une des méthodes les plus répandues pour la protection des objets métalliques contre la corrosion et l’usure.
Le chromage se distingue techniquement en deux types de revêtement utilisés à des fins différentes :
- Le chromage dur à épaisseur
- Le chromage décoratif
CHROMAGE DUR À ÉPAISSEUR
Grâce au processus de chromage, une couche fonctionnelle de chrome est déposée directement sur l’acier ou sur un autre métal de base afin de conférer une dureté de surface élevée et de protéger la pièce contre l’usure et la corrosion.
Le revêtement de chrome dur est très répandu, en particulier sur les pièces à géométrie simple soumises à une usure abrasive par glissement tels que les tiges de cylindres hydrauliques, oléodynamiques, les rouleaux de calandrage pour les papeteries ou pour l’industrie graphique et de nombreuses autres applications où la dureté et la capacité de glissement du chrome sont imbattables.
Épaisseur
Le chromage dur est déposé avec des épaisseurs qui peuvent aller de quelques dizaines à des centaines de microns en fonction de la difficulté de l’utilisation.
Dans les applications avec des charges de glissement élevées ou une usure lourde, une couche d’épaisseur élevée est déposée et une rectification ultérieure est effectuée pour permettre de respecter la rugosité et les dimensions correctes, en éliminant les irrégularités du revêtement.
Une limite assez importante du bain de chromage est sa faible pénétration dans les zones à faible densité de courant. En d’autres termes, le courant nécessaire au dépôt galvanique tend à déposer le chrome sur les parties les plus externes de la pièce à recouvrir. Il s’ensuit que la couche de chrome est beaucoup plus épaisse sur les bords extérieurs alors qu’elle est rare, voire inexistante, dans les parties intérieures d’une pièce mécanique complexe. C’est pourquoi, malgré ses caractéristiques exceptionnelles, il est principalement utilisé sur des pièces cylindriques ou des formes simples.
Dureté et résistance à l’usure
La dureté du chrome est élevée et varie de 800 à 1000 HV en fonction du mode de dépôt.
Le chromage dur est le revêtement principal lorsque vous avez besoin d’une très bonne capacité de glissement combinée à une résistance à l’usure maximale, dans des situations d’usure très lourdes. La couche de chrome, lorsqu’elle est déposée à une dureté maximale, est micro-fissurée avec des fissures diffuses et cette caractéristique, si d’une part elle réduit la résistance à la corrosion, permet d’autre part aux substances huileuses de s’installer dans les fissures, en opérant une lubrification légère continue qui est très avantageuse en cas de glissement sur les joints comme dans les vérins hydrauliques.
Résistance à la corrosion
La résistance à la corrosion est assez bonne même si elle n’est pas excellente lorsqu’elle n’est pas soutenue par un revêtement sous-jacent, ce qui est dû à la micro-fissuration de la couche qui permet la corrosion du matériau de base après quelques heures d’exposition au brouillard salin.
CHROMAGE DÉCORATIF
Il s’agit du chromage brillant classique utilisé pour des robinets et des pièces utilisées à des fins décoratives, pour l’aspect brillant et attrayant qui est obtenu sur la pièce après traitement.
Il est également appelé chromage-nickel, car il s’agit d’un double revêtement, composé d’une première couche de nickelage électrolytique qui donne de la douceur et de la brillance et d’une couche ultérieure de chrome, qui donne une couleur blanc-bleu constante dans le temps et une résistance à l’abrasion par nettoyage grâce à sa dureté, permettant ainsi de maintenir la brillance de la pièce dans le temps.
Le nickel-chrome électrolytique a un faible coût et un aspect décoratif et brillant, qui n’est pas égalé dans l’esthétique par d’autres traitements galvaniques. Il peut souffrir d’une faible adhérence sur le métal de base et, par conséquent, même en raison de sa différence d’épaisseur, typique de tous les traitements galvaniques, il n’est presque jamais utilisé à des fins fonctionnelles sur des pièces de mécanique de précision.
Épaisseur
L’épaisseur du chromage décoratif est généralement d’environ 10-15 µm. Le nickelage électrolytique a une épaisseur d’environ 10 µm et le chromage est déposé avec des épaisseurs très faibles, en moyenne autour du micron.
Résistance à la corrosion
La couche de chrome, étant micro-fissurée, ne permet pas une bonne résistance à la corrosion du matériau de base et, par conséquent, la couche de nickel électrolytique vient aider, et en plus de rendre la pièce attrayante grâce au pouvoir brillant et de nivellement du revêtement, elle permet de protéger le métal de base de la corrosion.
REPÈRES HISTORIQUES ET INTRODUCTION AU NICKELAGE CHIMIQUE
Dès 1844, une formation de nickel métallique a été décrite à partir d’une solution contenant des sels de nickel et de l’hypophosphite. Cependant, il faut parvenir aux années d’après-guerre pour définir un processus industriel pour le dépôt d’alliage de nickel-phosphore à partir de solutions contenant de l’hypophosphite de sodium et du sulfate ou du chlorure de nickel. Le premier processus industriellement efficace a été breveté en 1955 sous le nom de Kanigen. Depuis lors, bien que la composition de la solution de nickelage chimique soit restée essentiellement la même, les changements continus dans la formulation des bains de nickelage chimique ont rendu le processus de plus en plus fiable, atteignant à ce jour des niveaux maximaux de qualité et de constance des caractéristiques de surface.
PROPRIÉTÉS DU NICKELAGE CHIMIQUE
Le nickelage chimique est un processus qui dépose, sur la surface de la pièce à traiter, un revêtement à base d’un alliage de nickel phosphore, sans utilisation de courant. Il se distingue des processus électrolytiques précisément par l’absence d’une source externe d’énergie, permettant de recouvrir uniformément toutes les surfaces même de pièces avec une géométrie complexe. Les caractéristiques de surface conférées par le nickelage chimique sont l’uniformité de l’épaisseur, la résistance à la corrosion, la dureté et la résistance à l’usure.
Le nickel chimique peut revêtir directement tous les alliages métalliques couramment utilisés en mécanique (acier, acier inoxydable, aluminium, cuivre, laiton), à l’exception des alliages de zinc tels que le zamak qui doivent nécessairement être cuivrés avant de procéder au nickelage.
Uniformité d’épaisseur
Le bain de nickel chimique commence à déposer du métal au moment où la pièce à recouvrir est immergée dans la solution de nickelage, déclenchant une réaction chimique entre l’anion hypophosphite et le cation nickel. Son dépôt a lieu régulièrement sur toutes les surfaces de la pièce immergée, à une vitesse constante permettant d’obtenir un dépôt uniforme d’alliage nickel-phosphore qui varie son épaisseur d’un point à l’autre de la pièce dans la limite de ±10 % de l’épaisseur nominale requise. En supposant une épaisseur de 20 µm, la variation d’épaisseur entre un point et un autre des pièces introduites dans le bain de nickelage chimique, sera de ±2 µm sur toutes les surfaces atteintes par la solution de nickelage et où elle peut circuler. Ce n’est qu’à l’intérieur des trous borgnes que le revêtement est faible ou absent car lesdits trous souffrent du manque de remplacement du liquide de nickelage, en particulier lorsqu’ils sont petits et profonds.
L’uniformité d’épaisseur est une caractéristique unique entre les différents revêtements métalliques et permet d’établir a priori une épaisseur adaptée au type d’utilisation de la pièce mécanique, en calculant, lors de la conception de la pièce, ce que sera le surmétal à prendre en compte pour rentrer dans les tolérances des cotes finales avec la pièce recouverte.
Résistance à la corrosion
Le nickelage chimique a l’énorme avantage de protéger de manière uniforme toutes les surfaces qu’il recouvre. Le degré de protection conféré par le revêtement est légèrement différent entre les différents types de nickel chimique et est toujours supérieur au nickelage et au chromage galvanique à épaisseur égale. Le degré de protection dépend beaucoup de l’alliage métallique de base et de l’état de finition de la surface.
En prenant l’exemple de l’aluminium, la résistance à la corrosion dépendra beaucoup de l’alliage utilisé, du mode de production et de la finition de surface. Les pièces usinées dans la masse auront certainement une meilleure résistance à la corrosion que les pièces moulées sous pression avec des surfaces laissées brutes. La fonte résistera moins que l’acier en raison de sa porosité, et les surfaces usinées mécaniquement résisteront mieux que les surfaces laissées brutes par la filière.
Des épaisseurs de revêtement plus ou moins élevées peuvent être choisies, pour faire face à des environnements plus ou moins agressifs. L’épaisseur est généralement comprise entre 5 µm et 50 µm.
Le NIPLATE® 500 est le plus approprié pour protéger contre la corrosion les pièces en alliages de fer et en alliages de cuivre tandis que pour l’aluminium, le plus approprié est le NIPLATE® eXtreme NIPLATE® eXtreme.
Dureté et résistance à l’usure
Les alliages Ni-P, selon le type de nickel chimique déposé, présentent des duretés allant d’environ 500 HV à 700 HV avec une excellente résistance à l’usure, proportionnelle à la dureté. Ils peuvent être encore durcis par un traitement thermique à des températures supérieures à 250 °C et dans la limite de 400 °C, qui modifie la structure du revêtement métallique en alliage Ni-P, créant des agrégats cristallins de Ni3P (phosphure de nickel), qui augmentent la dureté de la couche jusqu’à plus de 1000 HV, ce qui augmente également considérablement la résistance à l’usure.
La dureté similaire au chromage, ainsi que l’uniformité de l’épaisseur, font que le nickel chimique est préférable dans de nombreuses applications, car il permet d’éviter un traitement ultérieur de rectification et les coûts connexes.
Pour les besoins de résistance à l’usure, le nickel chimique le plus indiqué est le NIPLATE 600® qui a une dureté d’environ 700 HV et peut être durci jusqu’à 1000-1050 HV. Pour de nombreuses applications, la dureté d’environ 700 HV répond aux besoins de résistance à l’usure et permet d’éviter d’atteindre des températures élevées qui, pour certains matériaux, tels que l’alliage d’aluminium 7000, peuvent être nocifs.
Il existe également un traitement de nickelage chimique NIPLATE 600® SiC additionné de particules de carbure de silicium, qui atteint des duretés de 1150 HV, avec une résistance à l’usure supérieure également au chrome dur.
EN RÉSUMÉ
CHROMAGE DUR
Avantages :
- Dureté élevée, variable entre 800 et 1000 HV en fonction du processus de dépôt.
- Des épaisseurs de dépôt également élevées supérieures à 100 µm pour les utilisations intensives d’usure abrasive.
- Résistance à l’usure supérieure au nickel chimique durci (bien que inférieure à celle du co-dépôt de nickel + carbure de silicium NIPLATE® 600 SiC)
- Économie du traitement sur divers S, tiges ou rouleaux, même de grande taille.
Inconvénients :
- Faible pénétration du dépôt dans les creux avec nécessité d’utiliser des anodes spéciales pour contourner cette limite.
- Nécessité de retouches de rectification en raison de la disparité de la couche sur des épaisseurs élevées.
- Résistance à la corrosion discrète, pas excellente.
- Limitations de l’utilisation du chrome hexavalent dans les processus industriels
CHROMAGE DÉCORATIF
Avantages :
- Économie du traitement.
- Aspect brillant et nivelé pour des utilisations décoratives.
Inconvénients :
- Des épaisseurs difficilement contrôlables et limitées à quelques microns.
- Ne convient pas à une utilisation pour des fonctions mécaniques.
- Faible résistance à la corrosion pour les pièces de forme complexe.
NICKELAGE CHIMIQUE
Avantages :
- Uniformité d’épaisseur sur toute la pièce recouverte avec des épaisseurs calibrées et des tolérances étroites.
- Excellente résistance à la corrosion.
- Dureté élevée et résistance à l’usure.
Inconvénients :
- Coût du traitement non compétitif à des fins décoratives.
- Difficulté à déposer des épaisseurs supérieures à 100 µm.
- Nécessité d’un traitement thermique pour atteindre les duretés maximales.