L’anodisation des alliages d’aluminium

Boitier en aluminium anodisé.

Boitier en aluminium anodisé.

L’anodisation des alliages d’aluminium est pratiquée pour améliorer les performances fonctionnelles des pièces. En effet, l’aluminium non protégé réagit avec son environnement, quel que soit le milieu dans lequel il se trouve (sol, eau, atmosphère, produit chimique, aliment, …). C’est pourquoi une protection de surface est souvent nécessaire. L’anodisation permet d’obtenir des caractéristiques mécaniques et physiques : augmentation de la dureté superficielle, tenue à l’abrasion améliorée, résistance à la corrosion, … et coloration des pièces.

Une couche d’oxydes en surface

Anodisation - morphologie de la couche d'oxydes en surface.
Anodisation – morphologie de la couche d’oxydes en surface.

L’opération d’anodisation forme une couche d’oxyde superficielle en modifiant chimiquement la surface de l’aluminium à partir d’une réaction électrochimique d’oxydation de l’aluminium. La couche d’oxyde d’aluminium est constituée d’alumine poreux (Al2O3). Ses caractéristiques sont intimement liées à la nature de l’alliage d’aluminium, qui compte pour beaucoup dans le résultat final du traitement et aux paramètres utilisés lors de l’anodisation (densité de courant, tension, temps de traitement, température ou type de solution utilisée).

La couche d’oxyde poreuse (pores d’une centaine d’Angstrom) permet aussi de faire des traitements supplémentaires. Il est ainsi possible de la colorer avec des pigments, de la travailler par sérigraphie ou encore d’y imprégner des produits (huiles, PTFE ou téflon, substances photographiques). Elle offre par exemple une bonne adhésion à la colle, elle a une tension de claquage élevée, ou encore elle augmente l’émissivité thermique de l’aluminium.

Les pores de la couche anodisé ont une structure hexagonale. L’épaisseur de la couche d’oxyde pour l’anodisation standard est de 1 à 25 microns environ selon le type d’anodisation et la durée de traitement.

Le processus d’anodisation

Croissance de la couche anodisée.
Croissance de la couche anodisée.

Le processus d’anodisation d’une pièce comporte plusieurs étapes : une préparation mécanique de la surface des pièces (avant anodisation) puis l’installation des pièces à traiter sur un support, le nettoyage des pièces, l’anodisation proprement dite puis en fonction des caractéristiques recherchées, la réalisation si besoin d’une coloration et le colmatage final.

Les différents types d’anodisation

Cuves d'anodisation avec bains de traitement.
Cuves d’anodisation avec bains de traitement.

Plusieurs milieux chimiques peuvent être utilisés pour l’anodisation : l’acide chromique, l’acide oxalique, l’acide phosphorique et l’acide sulfurique. L’oxydation obtenue avec l’acide chromique est de faible épaisseur mais la couche d’oxyde est excellente. Si de l’acide reste présent dans les fentes, il n’y a aucune corrosion, contrairement à l’acide sulfurique. Son coût plus élevé que celui de l’acide sulfurique et surtout ses contraintes environnementales plus grandes sont des freins à son utilisation et ont conduit à sa disparition. L’anodisation borique-sulfurique constitue une alternative à l’anodisation chromique.

Relativement coûteux, l’acide oxalique n’absorbe pas de colorant et donne des tons jaunâtres selon les alliages. La couche d’oxyde obtenue ne dépasse pas 10 microns. Pour une épaisseur donnée, la résistance à l’abrasion est le double de celle obtenue avec l’acide sulfurique. Cet acide est utilisé lorsque des pores plus larges que ceux obtenus avec l’acide sulfurique sont requis. La couche d’oxyde ne dépasse pas 6 microns ; cela est dû à la grande solubilité de la couche d’oxyde dans l’acide.

La solution d’anodisation de loin la plus utilisée est à base d’acide sulfurique (OAS pour Oxydation Anodique Sulfurique). C’est la moins onéreuse et la plus versatile. Le procédé d’anodisation est simple. Les pièces d’aluminium faisant office d’anodes sont placées en face de cathodes. Le tout est immergé dans un bassin qui contient la solution servant d’électrolyte. Lorsque le courant est enclenché entre anodes (pièces à anodiser) et cathodes, une réaction électrochimique forcée s’amorce. Cette réaction ne dépose aucun métal en surface. C’est l’aluminium de la pièce qui va réagir avec les molécules d’eau de la solution pour former une couche d’alumine selon la réaction suivante : 2Al + 3H2O –> Al2O3 + 6H.

Influence de la nuance d’alliage d’aluminium

Qualité de l'anodisation fonction du type d'alliage.
Qualité de l’anodisation fonction du type d’alliage.

L’anodisation ne permet pas d’améliorer les propriétés de tous les alliages d’aluminium de manière identique. Certains alliages s’anodisent en effet moins bien que d’autres et conduisent à des performances fonctionnelles plus réduites.

L’anodisation offre par exemple une bonne protection à une pièce en aluminium 6061, ainsi que la possibilité de bien la colorer. Le lustre de cette pièce est acceptable et la dureté de sa surface est très bonne. Pour un alliage de fonderie contenant 11 % de silicium, la couche d’oxyde formée lors de l’anodisation offrira une protection acceptable, sans toutefois permettre une coloration de qualité, ni la conservation d’un lustre adéquat. Pour les alliages de fonderie, les nuances AlSi2MgTi et ACu5MgTi offrent les meilleurs teintes pour l’anodisation de décoration avec une difficulté de transformation plus importante pour la nuance AlCu5MgTi.

Les alliages à teneur élevée en silicium présentent en effet une aptitude à l’anodisation colorée moindre (teinte grisâtre et sombre). Les résultats de l’anodisation sont satisfaisants sur les alliages d’aluminium faiblement alliés des séries 5000 et 6000. Dans le cas des alliages des séries 2000 et 7000, la présence d’éléments d’alliages, notamment le cuivre et le zinc, peut perturber la croissance et modifier la morphologie des films obtenus.

Réparation des pièces

Il arrive qu’une pièce fabriquée doive être réparée par une opération de soudure (suivie d’un repolissage de la surface). La réparation ne sera pas apparente, sauf après anodisation qui révélera la différence d’alliage, et par conséquent entrainera un risque de rebut (pièce d’aspect). Ce type de défaut ne pourra pas être corrigé sauf à utiliser un alliage de soudure qui s’apparente le plus à l’alliage de la pièce et permettra de diminuer la trace laissée par la réparation. Si la pièce subit une coloration noire après l’anodisation, la réparation s’en trouvera encore moins apparente, sinon invisible.

Influence de l’anodisation sur la tenue en fatigue

Courbe de fatigue alliage aluminium 7050 - usiné décapé et anodisé avec diminution des performances.
Courbe de fatigue alliage aluminium 7050 – usiné décapé et anodisé avec diminution des performances.

Suivant les alliages, le traitement et les paramètres de traitement, l’anodisation diminue la tenue en fatigue des pièces de 15 à 25 %. En effet, la couche superficielle anodisée est en général la zone fortement contrainte en fatigue et où risquent de s’initier les fissures.

Selon de nombreux chercheurs, le processus d’oxydation anodique peut modifier la composition métallurgique, la micro-géométrie ainsi que les contraintes résiduelles de la surface, ou enrichir en hydrogène la surface (FPH) autant de caractéristiques particulièrement influentes dans les mécanismes d’amorçage d’une fissure de fatigue.

Traitements ultérieurs à l’anodisation

Les pièces anodisées peuvent être utilisées directement ou subir des traitements supplémentaires leur conférant de nouvelles propriétés. Ainsi, après l’anodisation, les pièces peuvent être colorées pour avoir un aspect esthétique, ou encore imprégnées de substance lubrifiante pour des applications demandant une fonction autolubrifiante.

Les pièces en aluminium anodisé

Anodisation avec coloration de pièces en aluminium.
Anodisation avec coloration de pièces en aluminium.

De nombreuses pièces en aluminium sont anodisés. On peut citer, sans être exhaustif, des poignées de porte et fenêtre (décoration), des pièces de mobilier urbain (protection), des distributeur pneumatique (frottement), des profilés divers (fenêtre, …), des appareils grands publics en électroménager ou en électronique (boitier de Smartphone, …), des racks de fixation de cartes électroniques, …, ou encore des jantes automobile (décoration) ou des bâtis de machines industriels en aluminium.

Améliorer les performances de base d’un alliage d’aluminium

L’anodisation permet d’améliorer les propriétés du matériau de base. Ainsi, par exemple, un alliage d’AlSi9Cu3(Fe) transformé en fonderie sous pression qui possède de mauvaises performances de résistance à la corrosion en atmosphère marine peut-il être utilisé en bord de mer en pratiquant une anodisation de protection suivie d’une peinture. Ce double traitement (anodisation + peinture) permet ainsi d’augmenter les performances de surface de l’alliage. L’anodisation (avec une couche non colmatée) apporte une fonction d’accrochage pour la couche de peinture.

Le colmatage

Anodisation décorative - Colmatage des pores.
Anodisation décorative – Colmatage des pores.

Les pièces anodisées sont habituellement colmatées, sauf si les pores doivent rester ouverts (pour l’adhérence à la colle ou à une peinture) ou si une dureté maximale de la couche d’oxyde est recherchée (cas de l’anodisation dure). Le colmatage consiste à hydrater la couche d’oxyde pour la faire gonfler et ainsi boucher les pores. Cela permet aux produits imprégnés de rester emprisonnés et empêche les produits indésirables (graisse, poussière, …) de pénétrer dans les pores.

En pratique, le colmatage consiste à immerger la pièce anodisée dans une solution aqueuse contenant certains additifs. Cette opération peut être effectuée dans l’eau bouillante, dans la vapeur saturée, avec ajout d’acétate de nickel ou des solutions de dichromates.

Anodisation des autres matériaux métalliques

L’anodisation est le plus souvent utilisée sur l’aluminium. Cependant, d’autres matériaux métalliques peuvent aussi être anodisés. Le titane peut être anodisé pour des applications en bijouterie ou en en implants dentaires. Le zinc est rarement anodisé, sauf dans les cas où une couleur verte profonde est souhaitée. On forme ainsi une couche d’oxyde dure et résistante à l’usure. Le magnésium est parfois anodisé pour préparer la peinture.

Conclusions

L’anodisation permet de modifier la surface des pièces (fonderie, forge, …) ou des demi-produits (extrudés, laminés) en aluminium pour leur amener des propriétés fonctionnelles améliorées (tenue à l’abrasion, tenue à la corrosion, isolation électrique), colorer la surface ou servir de site d’adhérence pour une colle. L’anodisation est très couramment utilisée dans l’industrie.

5 commentaires

  1. Franco Chiesa dit :

    Compliments pour l’exposé très clair!
    Vous avez fait allusion à l’anodisation dure. De quoi s’agit-il et quelles sont les conditions de sa réalisation?
    Merci!

    • Le CTIF dit :

      Bonjour Franco et merci de votre interet pour notre article de MetalBlog sur l’anodisation. L’anodisation dure se pratique à basse température avec de fortes densité de courant. Cela conduit à des couches épaisses (60 à 100 microns) d’oxydes et dures. Inconvénient: les performances en tenue en fatigue vont être réduites.

  2. bibi dit :

    liste des alliages, il manque au5gt et as2gt

    • Le CTIF dit :

      Bonjour Jérome et merci de votre commentaire. Effectivement, dans le tableau, ces 2 alliages n’y sont pas, mais ils figurent bien dans le texte à gauche « … les nuances AlSi2MgTi et ACu5MgTi offrent les meilleurs teintes pour l’anodisation de décoration … ».

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