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(11) | EP 0 962 553 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé et installation de revêtement d'une surface par électrophorèse |
| (57) Procédé de revêtement par électrophorèse de la surface d'un substrat dans lequel,
pendant le passage du courant électrophorétique, on soumet le bain à des mouvements
de vibration de manière à générer des cavitations vaporeuses au voisinage de cette
surface et on applique ces vibrations seulement dans une première phase D de début
du passage du courant et/ou seulement dans une deuxième phase F de fin du passage
du courant. L'invention a également pour objet une installation pour mettre en oeuvre ce procédé. L'invention permet d'économiser sur les coûts d'installation tout en augmentant sensiblement la vitesse de revêtement et/ou en évitant les défauts de cratérisation, notamment sur acier galvanisé allié. |
[0001] L'invention concerne un procédé de revêtement par électrophorèse de la surface d'un substrat immergé dans un bain d'électrophorèse, comprenant les étapes consistant à :
- faire passer un courant électrique entre ladite surface servant d'électrode et une contre-électrode également plongée dans le bain,
- pendant le passage du courant, soumettre le bain au voisinage de la surface à des mouvements de vibration, notamment à des fréquences sonores ou ultrasonores.
[0002] La mise en peinture par électrophorèse est largement utilisée pour les pièces de carrosserie automobile.
[0003] Le bain d'électrophorèse est généralement constitué d'une émulsion aqueuse d'un polymère filmogène ; on utilise couramment des résines de type polyépoxydes.
[0004] Le courant électrique d'électrophorèse sert à entraîner les particules de l'émulsion vers la pièce à peindre où elles vont constituer la couche de peinture ; la résistance électrique entre la pièce à peindre et la contre-électrode augmente avec l'épaisseur de dépôt.
[0005] Une installation de peinture de carrosserie comporte d'une manière classique un bac de peinture et un convoyeur pour immerger la pièce dans le bain, la déplacer le long du bain et l'en extraire, comme décrit par exemple dans la demande de brevet JP 87 268 321 A.
[0006] La longueur du bac et la vitesse de défilement de la pièce dans le bac sont adaptées à l'épaisseur de la couche de peinture à déposer, en fonction de la vitesse de dépôt de peinture.
[0007] La vitesse de dépôt est proportionnelle au champ électrique au voisinage de la pièce à peindre, c'est à dire à la différence de potentiel appliquée entre l'électrode et la contre-électrode ; à polarisation constante, cette vitesse décroît en fonction du temps jusqu'à s'annuler quasiment quand l'épaisseur de la couche de peinture déposée offre une résistance électrique importante au passage du courant électrophorétique.
[0008] La pièce extraite du bain est étuvée pour assurer la cuisson du revêtement ; pour des résines de type polyépoxydes, le traitement d'étuvage dure environ 20 minutes à environ 180°C.
[0009] Comme décrit dans le document JP 87 268 321 A, lorsqu'on applique ainsi une couche de peinture sur des tôles d'acier revêtues de zinc ou d'alliage de zinc, notamment des tôles d'acier galvanisées alliées, on observe des défauts de surface (« gaz pinhole » en langue anglaise) sur la couche de peinture, qui proviendraient de la formation, pendant l'électrodépôt, de bulles de gaz sur la surface à peindre.
[0010] Pour éviter la formation de ces défauts, ce document enseigne de soumettre le bain d'électrophorèse à des mouvements de vibration à des fréquences ultrasonores, pendant le passage du courant électrophorétique.
[0011] Pour mettre en vibration le bain, on immerge dans le bain des générateurs émetteurs d'ultrasons, le long du chemin de défilement de la pièce, de chaque côté de la pièce ; ces émetteurs d'ultrasons sont répartis de chaque côté du chemin de défilement le long des deux parois longitudinales du bac de peinture (référence 7 sur les figures 1 et 2 du document JP 87 268 321 A) et sont reliés à un dispositif d'alimentation adapté.
[0012] Ce procédé d'électrodéposition sous ultra-sons est coûteux, car il nécessite l'installation de nombreux émetteurs le long du chemin de défilement des pièces.
[0014] L'invention a pour objet un procédé de revêtement par électrophorèse de la surface d'un substrat immergé dans un bain d'électrophorèse, comprenant les étapes consistant à :
- faire passer un courant électrique entre cette surface servant d'électrode et une contre-électrode également plongée dans le bain,
- pendant le passage du courant, soumettre le bain à des mouvements de vibration au voisinage de cette surface,
- on applique lesdits mouvements de vibration de manière à générer des cavitations vaporeuses au voisinage de cette surface,
- on applique lesdits mouvements de vibration seulement dans une première phase D de début du passage du courant et/ou seulement dans une deuxième phase F de fin du passage du courant,
la phase D commençant au début du passage du courant et se terminant avant l'instant correspondant à la moitié de la durée de passage du courant,
la phase F commençant après l'instant correspondant à la moitié de la durée de passage du courant et se terminant à la fin de passage du courant.
[0015] Le fait d'adapter les mouvements de vibration pour générer des phénomènes de cavitations vaporeuses et des cavités au voisinage de la surface est un élément particulièrement important pour aboutir au but de l'invention ; le diamètre de ces cavités peut également influencer l'efficacité du procédé.
[0016] L'expression « commençant au début » ne signifie pas que l'application des mouvements de vibration ne puisse pas commencer légèrement avant le début de passage du courant, pour des raisons de commodité ; ainsi, la phase D commence « approximativement » à l'instant de début de passage du courant.
[0017] L'expression « se terminant à la fin » ne signifie pas que l'application des mouvements de vibration ne puisse pas se poursuivre légèrement après la fin de passage du courant, pour des raisons de commodité ; ainsi, la phase F se termine « approximativement » à l'instant de fin de passage du courant.
[0018] Comme la durée d'application des mouvements de vibration D + F est alors strictement inférieure à celle du passage du courant (si on excepte les éventuelles brèves durées d'application précédant le début de passage du courant et/ou suivant la fin de passage du courant), le procédé selon l'invention est moins coûteux que les procédés de l'art antérieur qui prévoyaient d'appliquer ces mouvements de vibration pendant toute la durée de passage du courant.
[0019] De préférence, pour réaliser l'économie optimale pour la phase D, cette phase D se termine approximativement à l'instant correspondant au point singulier de la courbe R°(t) d'évolution, en fonction du temps, de la résistance électrique mesurée entre cette surface et la contre-électrode dans les mêmes conditions mais en l'absence desdits mouvements de vibration.
[0020] En pratique, il peut suffire que la durée de la phase D soit inférieure ou égale au quart de la durée de passage du courant, ce qui permet d'économiser le quart des coûts relatifs aux « moyens de vibration » par rapport à l'art antérieur.
[0021] L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- les mouvements de vibration correspondent à des ondes sonores ou ultrasonores.
- le substrat est en acier galvanisé allié.
- on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans ladite première phase D de début du passage du courant.
- au cours de ladite première phase D, l'intensité dudit courant que l'on fait passer provoque une tension de polarisation supérieure à la tension de cratérisation de ladite surface.
- au début du passage du courant, la durée de montée de la tension de polarisation jusqu'à une valeur prédéterminée supérieure à ladite tension de cratérisation est inférieure à 1 seconde.
- on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans la deuxième phase F de fin du passage du courant.
- pendant ladite deuxième phase F, on applique les mouvements de vibration uniquement au voisinage de zones prédéterminées de ladite surface en vue d'y déposer un revêtement plus épais que sur les autres zones de ladite surface.
[0022] L'invention a également pour objet une installation de revêtement en continu de la surface de pièces par électrophorèse, utilisable pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type comprenant un bac pour contenir un bain d'électrophorèse, des moyens pour immerger la surface, pour convoyer les pièces en défilement dans le bac puis les en extraire, au moins une contre-électrode plongée dans le bain, des moyens pour faire passer un courant électrique entre ladite surface et la contre-électrode, et des moyens pour appliquer des mouvements de vibration dans le bain au voisinage de ladite surface en défilement,
caractérisée en ce que ces moyens de vibration sont adaptés pour :
- appliquer lesdits mouvements de vibration de manière à générer des cavitations vaporeuses au voisinage de ladite surface de pièces,
- appliquer lesdits mouvements de vibration seulement dans la « zone d'immersion » des pièces et/ou seulement dans la « zone d'extraction » des pièces,
la « zone d'immersion » des pièces le long du chemin de défilement commençant approximativement à l'endroit correspondant au début de passage du courant et se terminant en deçà de la moitié de la longueur dudit bac,
la « zone d'extraction » des pièces le long du chemin de défilement commençant au delà de la moitié de la longueur dudit bac et se terminant approximativement à l'endroit correspondant à la fin de passage du courant.
[0023] Comme la longueur totale des zones (« immersion » + « extraction ») le long desquelles on applique lesdits mouvements de vibration est alors strictement inférieure à la longueur de la zone le long laquelle on fait passer un courant électrique, les moyens pour appliquer des mouvements de vibrations sont moins coûteux que dans l'art antérieur.
[0024] De préférence, pour réaliser l'économie optimale de ces moyens, la « zone d'immersion » se termine approximativement à l'endroit correspondant à l'instant correspondant au point singulier de la courbe R°(t) d'évolution, en fonction du temps, de la résistance électrique mesurée entre cette surface et la contre-électrode dans les mêmes conditions mais en l'absence desdits mouvements de vibration.
[0025] En pratique, il peut suffire que la longueur de la zone d'immersion dans la direction de défilement soit inférieure ou égale au quart de la longueur dudit bac, ce qui permet d'économiser le quart des coûts relatifs aux « moyens de vibration » par rapport à l'art antérieur.
[0026] L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- lesdits moyens de vibration sont adaptés pour générer des ondes sonores ou ultrasonores.
- lesdits moyens de vibration sont immergés dans ladite « zone d'immersion » et/ou lesdits moyens de vibration sont immergés dans ladite « zone d'extraction ».
[0028] Les défauts de surface de la couche de peinture présentent la forme de cratères, qui, sur des tôles d'acier, sont des lieux privilégiés d'amorçage de la corrosion ; en outre, malgré les trois couches de peinture supplémentaires (dites respectivement « sealer », « base » et « vernis » ) que subissent les pièces visibles de la carrosseries au dessus de la couche de cataphorèse, les cratères restent apparents et dégradent fortement l'aspect de ces pièces.
[0029] Ces cratères se présentent sous la forme de petits trous tronconiques débouchant à la surface de la couche de cataphorèse ; ils ont un diamètre généralement compris entre 100 et 500 µm à la base, entre 5 et 20 µm au sommet.
[0030] Ces défauts dits de « cratérisation » proviendraient de la formation de gaz, notamment d'hydrogène, au voisinage de la surface de la pièce en cours de revêtement.
[0031] Les conditions d'application des ultrasons doivent être adaptées pour engendrer des phénomènes de cavitation vaporeuse dans le bain au voisinage de la surface à revêtir, à l'endroit où l'on souhaite éviter les défauts ; en effet, les mouvements de vibration ultra-sonores dans les fluides sont réputés engendrer des phénomènes de cavitation qui, selon la puissance mise en oeuvre, relèvent de la cavitation gazeuse (basse puissance) ou de la cavitation vaporeuse (puissance plus importante : quelques W/litre) ; la cavitation gazeuse ne permet pas d'éviter efficacement les défauts de surface, contrairement à la cavitation vaporeuse ; il semble en effet que les cavités vaporeuses créées au voisinage de la surface provoquent la coalescence des bulles d'hydrogène en formation, empêchant ainsi la formation des défauts de surface.
[0032] L'énergie nécessaire pour engendrer la cavitation vaporeuse est indépendante de la fréquence jusqu'à au moins 100 kHz ; les valeurs minimales requises d'énergie ultrasonore d'insonation sont, selon les différentes théories connues en la matière, comprises entre 0,1 et 1 W/cm2 ; au delà de ce seuil d'énergie, la durée de vie diminue avec l'augmentation de la puissance, entre une dizaine de périodes à une période ; par contre, la densité n'évolue pas forcément en fonction de la puissance.
[0033] La taille des cavités vaporeuses engendrées dans le bain est inversement proportionnelle à la fréquence.
[0034] Selon une variante de l'invention, il est possible de rajouter, dans le bain d'électrophorèse, des adjuvants de cavitation ; certains agents mouillants sont par exemple bien adaptés ; ils permettent de diminuer la puissance nécessaire pour provoquer la cavitation.
[0035] En l'absence de vibrations générant des cavitations vaporeuses, les défauts de cratérisation apparaissent au delà d'un niveau prédéterminé de tension, appelé « tension de cratérisation », et/ou d'une vitesse prédéterminée de polarisation de ce substrat ; ainsi, dans l'art antérieur, pour éviter ces défauts, on applique une tension relativement faible entre le substrat et la contre-électrode, et/ou on applique cette tension de manière très progressive, ce qui présente l'inconvénient de diminuer la vitesse moyenne de dépôt et, donc, la productivité de la ligne de peinture.
[0036] Sur les lignes de revêtement en continu, l'application progressive de la tension nécessite d'utiliser plusieurs générateurs de tension (chacun adapté à une zone de la ligne), ce qui est très coûteux.
[0037] En mesurant la résistance R° de polarisation en début de polarisation du substrat en l'absence de vibrations générant des cavitations vaporeuses, on s'attendrait à ce que les valeurs croissent régulièrement avec l'épaisseur déposée ; on a constaté au contraire que la courbe d'évolution en fonction du temps R°(t) présentait un point singulier réflétant l'apparition du phénomène de cratérisation ; on a vérifié qu'il suffisait, pour éviter totalement les défauts, d'appliquer les ultrasons uniquement entre l'instant de début de circulation du courant d'électrophorèse et l'instant correspondant à ce point singulier ; en pratique industrielle, la durée qui sépare ces deux instants est généralement inférieure à 15 secondes.
[0038] Même en prolongeant l'application des ultra-sons après l'instant correspondant à ce point singulier, on s'éloigne des conditions optimales de mise en oeuvre de l'invention sans sortir de l'invention du moment que la durée d'application des mouvements de vibration D + F reste strictement inférieure à celle du passage du courant de manière à limiter l'application des ultra-sons par rapport à l'art antérieur.
[0039] Dans les conditions industrielles, on fait généralement monter très rapidement la tension de polarisation jusqu'à une valeur de tension supérieure à la tension de cratérisation ; entre l'instant de début de circulation du courant d'électrophorèse et l'instant où la tension de polarisation dépasse la tension de cratérisation, il s'écoule généralement moins d'une seconde ; en l'absence d'application d'ultrasons générant des cavitations vaporeuses selon l'invention, cette montée rapide en tension accroît encore le risque de cratérisation, que l'invention permet d'éviter.
[0040] Ainsi, selon l'invention, sur une ligne de peinture de 4 m de longueur où les pièces sont convoyées à la vitesse de 4 m/min., pour éviter les défauts de surface, il peut suffire de soumettre aux ultrasons la zone de début d'immersion des pièces sur une longueur de 1 m environ du chemin de défilement ; la durée de la phase D est alors inférieure ou égale au quart de la durée de passage du courant et la longueur de la zone d'immersion est alors inférieure ou égale au quart de la longueur du bac d'immersion.
[0041] L'invention permet donc d'éviter les défauts de surface tout en effectuant le dépôt sous des tensions élevées, même appliquées brutalement ; l'invention permet donc d'éviter les défauts de surface dans des conditions de vitesse de dépôt élevée.
[0042] Comme mentionné ci-dessus, à tension de polarisation constante, la vitesse de dépôt de peinture décroît en fonction du temps jusqu'à s'annuler quasiment quand l'épaisseur de la couche de peinture déposée offre une résistance électrique importante au passage du courant électrophorétique ; on atteint ainsi une épaisseur limite donnée.
[0043] On a constaté que, en présence d'ultra-sons, l'épaisseur limite pouvait augmenter de 15 à 40% ; on a également constaté que l'effet obtenu est identique selon que l'on applique les ultrasons pendant toute la durée de la polarisation, ou seulement en fin de période de polarisation, par exemple pendant seulement la deuxième moitié de la durée de passage du courant électrophorétique.
[0044] En se référant aux figures 4 et 5, dans une installation 7 de revêtement de surface de pièces 9 en continu par électrophorèse, du type comprenant un bac 8 pour contenir un bain d'électrophorèse, des moyens 10 pour immerger la surface à revêtir, pour convoyer les pièces 9 en défilement dans le bac puis les en extraire, au moins une contre-électrode (non représentée) plongée dans le bain, des moyens pour faire passer un courant électrique entre la surface à revêtir et la contre-électrode, et des générateurs d'ultra-sons 11, 12 adaptés pour soumettre le bain au voisinage de la surface en défilement à des mouvements de vibration, comme décrit dans le document JP 87 268 321 A, l'invention permet de limiter la zone du bain à soumettre à des vibrations à la « zone d'immersion » des pièces et/ou uniquement à la « zone d'extraction » des pièces, tout en limitant la cratérisation et/ou en augmentant sensiblement la vitesse de dépôt.
[0045] Grâce à la limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations, l'installation est beaucoup plus économique, puisque l'on dispose des générateurs d'ultrasons 11 uniquement dans la « zone d'immersion » et/ou l'on dispose des générateurs d'ultrasons 12 uniquement dans la « zone d'extraction ».
[0046] Au sens de limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations, la « zone d'immersion » des pièces le long du chemin de défilement commence à l'endroit correspondant à l'instant de début de circulation du courant électrophorétique, donc généralement au point de début d'immersion de la pièce ou d'une portion de pièce, et se termine à l'endroit correspondant à l'instant du point singulier que l'on observerait sur la courbe R°(t) d'évolution en fonction du temps de la résistance de polarisation en l'absence de vibrations générant des cavitations vaporeuses.
[0047] Au sens de limitation de la zone du bain à soumettre à des vibrations, la « zone d'extraction » des pièces le long du chemin de défilement commence au plus tôt à la moitié de la zone le long de laquelle la pièce ou portion de pièce est immergée et se termine à l'endroit correspondant à l'instant de fin de circulation du courant électrophorétique, donc généralement au point d'extraction de la pièce ou d'une portion de pièce.
[0048] Grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire d'implanter des émetteurs d'ultrasons dans le bain tout le long du chemin de défilement des pièces à peindre, comme dans le document JP 87 268 321 A ; on diminue ainsi sensiblement le nombre et/ou la puissance utile des émetteurs, ce qui est très économique.
[0049] L'invention permet ainsi d'éviter, le cas échéant, les défauts de cratérisation et/ou d'améliorer la vitesse moyenne de dépôt tout en économisant sur les coûts d'installation et d'exploitation par rapport au procédé décrit dans le document JP 87 268 321 A.
[0050] La possibilité, offerte par l'invention, d'utiliser des tensions de polarisation supérieures à la tension de cratérisation sans risque de cratérisation, ainsi que celle d'atteindre des vitesses élevées de dépôt permettent d'améliorer la productivité de l'installation.
[0051] L'effet des vibrations générant des cavitations vaporeuses sur la vitesse de dépôt peut être utilisé pour obtenir des sur-épaisseurs localisées de revêtement : ainsi par exemple, en adaptant la position des émetteurs d'ultrasons dans le bac par rapport à des zones de surface de pièce où l'on souhaite appliquer une sur-épaisseur, on peut obtenir, en une seule opération, un revêtement présentant ces sur-épaisseurs convenablement localisées ; ces zones peuvent correspondre à des joints soudés ou à des parties en creux des pièces, qui nécessitent une protection renforcée contre la corrosion.
[0052] Lorsqu'on utilise des ondes sonores ou ultrasonores pour provoquer dans le bain des vibrations générant des cavitations vaporeuses sur la surface de la pièce immergée, de préférence la propagation des ondes est approximativement perpendiculaire à ladite surface ; à l'aide de dispositifs classiques, la cavitation peut être provoquée à plusieurs mètres de distance et les ondes peuvent être concentrées, même à partir de plusieurs émetteurs, sur des zones prédéterminées de la surface.
[0053] Selon une variante de l'invention, l'installation ne comporte pas de sonotrodes dans le bain mais des moyens pour faire vibrer à une fréquence ultrasonore la pièce à peindre ; ainsi, en faisant vibrer la pièce à peindre au lieu du bain, on parvient aux mêmes avantages que précédemment.
[0054] Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être avantageusement utilisés pour peindre des caisses automobiles, ou des pièces de carrosserie comme des capots, des ailes, des portières ou des pièces de soubassement.
[0055] Les exemples suivants illustrent l'invention en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de peinture utilisée pour les exemples décrits ci-après ;
- les figures 2 et 3 illustrent la variation en fonction du temps de la résistance électrique R°(t) entre la contre-électrode et la surface en cours de revêtement, à partir de l'instant de début de circulation du courant d'électrophorèse.
- les figures 4 et 5 sont des schémas d'installation de revêtement selon l'invention, en vue latérale (fig. 4) et vue de dessus (fig.5).
Exemple 1:
[0056] Cet exemple a pour but d'illustrer l'absence de défauts de surface après un dépôt effectué sous une tension supérieure à la tension de cratérisation et sous ultra-sons.
[0057] Cet exemple a également pour but d'illustrer l'incidence de la direction de vibration du bain au voisinage de la surface à peindre.
[0058] On réalise des essais de revêtement par cataphorèse selon l'invention sur des échantillons d'acier.
[0059] On choisit un substrat en acier galvanisé allié pour se placer dans les conditions où le risque de cratérisation est élevé.
[0060] Ces échantillons sont découpés dans une tôle plane en format 90 x 140 mm et pliés en équerre par le milieu du grand côté.
[0061] Comme bain de cataphorèse, on utilise un bain usagé référencé 718 960 de la Société PPG à une température de 28°C.
[0062] On choisit un bain usagé pour se placer dans les conditions où le risque de cratérisation est élevé.
[0063] Dans la cuve contenant le bain, on immerge une contre-électrode plane, ou anode, et, face à l'anode, l'échantillon à peindre.
[0064] L'échantillon à peindre présente alors une partie parallèle à l'anode à une distance de 130 mm et une partie perpendiculaire orientée vers l'anode.
[0065] Des sonotrodes sont disposées dans le bain entre l'échantillon et l'anode, à une distance de 2 cm environ de la partie de l'échantillon parallèle à l'anode, pour générer des vibrations dans une direction parallèle à cette partie de l'échantillon et donc perpendiculaire à l'autre partie en équerre du même échantillon.
[0066] Les vibrations engendrées dans le bain présentent une fréquence de 21700 Hz et une puissance de 300 W environ ; ces conditions permettent de provoquer des cavitations vaporeuses dans le bain, notamment au voisinage de la surface à revêtir.
[0067] On maintient une différence de potentiel de 220 V entre la tôle à peindre et l'anode jusqu'à ce que la charge électrique totale transférée atteigne 18 Coulombs ; cette tension de polarisation est supérieure à la tension de cratérisation, c'est à dire à la tension sous laquelle des phénomènes de cratérisation apparaissent en l'absence d'ultra-sons.
[0068] Dans ces conditions, la durée nécessaire pour le passage de la charge électrique de 18 Coulombs est de environ 17 secondes ; le dépôt obtenu présente alors une épaisseur comprise entre 15 et 20 µm.
[0069] Après l'opération de revêtement, on extrait l'échantillon du bain et on l'étuve pendant 20 minutes à 180°C pour cuire la couche de peinture.
[0070] On observe ensuite le nombre de défauts de type « cratère » sur les deux parties peintes de l'échantillon, la partie parallèle à l'anode et la partie perpendiculaire.
- nombre de défauts sur la partie parallèle : 110.
- nombre de défauts sur la partie perpendiculaire : 110.
[0071] La direction de vibration du bain au voisinage de la surface à peindre ne semble donc pas déterminante vis à vis du risque de cratérisation.
Exemple comparatif 1 :
[0072] Cet exemple illustre les résultats obtenus dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais en l'absence d'ultrasons.
[0074] Pour la même charge électrique de 18 Coulombs, et, approximativement la même épaisseur de revêtement, il convient de maintenir la polarisation pendant 24 s.
[0075] On obtient les résultats suivants :
- nombre de défauts sur la partie parallèle : 240.
- nombre de défauts sur la partie perpendiculaire : 225.
[0076] En comparant à l'exemple 1, on en déduit que l'utilisation des ultrasons permet :
- de diviser environ par deux les risques de défaut de type "cratère",
- d'améliorer de environ 30% la vitesse de dépôt.
Exemple 2:
[0078] On procède dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais sur des échantillons plans de 100 x 200 mm dans un bain non usagé.
[0079] On mesure également la quantité de cratères sur la surface peinte, et, en outre, le temps nécessaire pour obtenir une épaisseur de revêtement prédéterminée.
Exemple comparatif 2 :
[0081] Cet exemple illustre les résultats obtenus dans les mêmes conditions que dans l'exemple 2, mais en l'absence d'ultra-sons.
[0082] On procède comme dans l'exemple 2, mais sans sonotrodes et donc sans soumettre le bain à des ultrasons.
[0083] Pour un revêtement de la même épaisseur prédéterminée, on obtient les résultats suivants :
- nombre de défauts de cratère : 42.
- temps de dépôt : 20 s.
[0084] En comparant à l'exemple 2, on en déduit que l'utilisation des ultra-sons permet :
- de supprimer l'apparition de cratères.
- de gagner environ 30% sur la vitesse de dépôt.
[0085] On confirme donc les enseignements de l'exemple 1, sur un bain d'électrophorèse différent et sur des échantillons de formes simples.
Exemple 3:
[0086] Cet exemple a pour but de montrer que, pour limiter efficacement l'apparition de défauts de cratérisation à l'aide d'ultrasons, les conditions d'application des ultrasons doivent être adaptées pour engendrer des phénomènes de cavitation vaporeuse dans le bain au voisinage de la surface à revêtir.
[0087] Une onde acoustique se propageant dans un milieu liquide se caractérise par une succession de pressions positives et négatives ; la variation de pression en un point du liquide est appelée « pression acoustique ».
[0088] La pression acoustique est liée à la puissance ultrasonore dissipée dans le liquide ; une pression acoustique élevée peut entraîner la rupture locale du liquide et la création d'une cavité dans une zone de basse pression ; c'est le phénomène de cavitation acoustique.
[0089] On distingue au moins deux types de cavitation :
- la cavitation gazeuse, dans laquelle la cavité est remplie de gaz initialement dissous dans le liquide, ou provenant de matériaux immergés (parois, électrodes, ...).
- la cavitation vaporeuse, dans laquelle la cavité est remplie de vapeur du liquide, la basse pression (ou dépression) dans la cavité étant inférieure à la pression de vapeur saturante de ce liquide.
[0091] Lorsqu'on engendre des cavités dans le bain au voisinage de la surface, deux phénomènes prépondérants sont importants pour éviter les défauts de cratérisation : les ondes de choc et les micro-jets, qui ne se produisent qu'avec les cavités vaporeuses.
[0092] Pour matérialiser la cavitation vaporeuse dans un bain de cataphorèse, on utilise l'installation suivante (en référence à la figure 1) : un bac 1 contenant un bain 2 ; un échantillon 3 et une contre-électrode 4 maintenues immergées dans le bain 2.
[0093] On implante une sonotrode 5 dans le bain, de manière à ce que les vibrations ultra-sonores qu'elle engendre soient perpendiculaires à la surface de l'échantillon 3 à revêtir.
[0094] On peut installer deux types de sonotrodes selon la fréquence souhaitée : 16,3 kHz ou 38,9 kHz
[0097] Pour matérialiser la cavitation vaporeuse, on remplit le bac 1 d'eau et on utilise, à la place de l'échantillon, une feuille d'aluminium maintenue par deux grilles.
[0098] On constate alors que, sous ultrasons et à une puissance suffisante, il se forme des « impacts » sur la feuille d'aluminium : la quantité d'impact obtenue renseigne sur la densité de cavitation.
[0099] On effectue des séries d'essais de 30 secondes sous 300 W ; en termes de densité d'impact, les résultats obtenus sont reportés au tableau 1 : XXXX pour désigner une très forte densité d'impact, xxx pour une forte densité, xx pour une densité moyenne, x pour une faible densité d'impact.
Tableau I -
| Influence de la distance Sonotrode-Échantillon | ||||||||||
| Distance (cm) Sonotrode-Échant. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Sonotrode 16,3kHz | xxxx | xxxx | xxx | xx | xx | xx | x | x | x | x |
| Sontrode 38,9 kHz | xx | x | x | n.o. | n.o. | n.o. | n.o. | n.o. | n.o. | n.o. |
| (n.o.: non observé) | ||||||||||
[0100] La valeur de puissance de la sonotrode (300W) concerne la sonotrode elle-même et non pas la puissance ultrasonore dissipée dans le bain à proximité de la surface de l'échantillon.
[0101] On constate que la basse fréquence 16,3 kHz semble plus favorable à la cavitation vaporeuse que la haute fréquence 38,9 kHz.
[0102] On a ensuite effectué des essais de mise en peinture pour recouper les conditions d'application des ultra-sons (cavitation vaporeuse) et l'effet anti-cratérisation.
[0103] Pour un essai « standard » de mise en peinture, on utilise des échantillons de tôle d'acier galvanisé allié, dégraissés non phosphatés et un bain non usagé de cataphorèse de la Société PPG, référencé 718 960, maintenu sous agitation mécanique et à une température constante de environ 28°C ; on polarise progressivement l'échantillon jusqu'à atteindre, en 10 secondes environ, une tension de 220 V que l'on maintient ensuite constante pendant la durée de l'essai ; à l'aide de la sonotrode, on soumet le bain à des ultrasons pendant toute la durée de circulation du courant d'électrophorèse ; la durée de l'essai est de 30 secondes.
[0104] Après essai, on observe la présence (« OUI ») ou l'absence (« NON ») de cratère sur chaque face 6A, 6B de l'échantillon ; les résultats sont reportés au tableau Il.
[0105] D'après ces résultats, à 16,7 kHz et 300 W, on confirme donc qu'il convient, pour éviter la cratérisation, que la distance sonotrode-échantillon soit inférieure ou égale à 6 cm ; cette condition semble bien correspondre à celle de la cavitation vaporeuse établie dans la série d'essai précédente (tableau I).
[0106] A 16,7 kHz et 50 W, on constate qu'il convient, pour éviter la cratérisation, que la distance sonotrode-échantillon soit inférieure ou égale à 3 cm.
[0107] A 38,9 kHz et 500 W (forte puissance), on ne parvient pas à éviter la cratérisation ; il est possible que le diamètre des cavités soit, à cette fréquence, trop faible pour être efficace contre la cratérisation.
[0108] Le diamètre des cavités est effet inversement proportionnel à la fréquence : de l'ordre de 30 à 100 µm à 10 kHz, de l'ordre de 15 à 50 µm à 20 kHz.
Tableau II -
| Influence des ultrasons sur la cratérisation. | |||||
| N°Éch. | Fréquence (kHz) | Puissance Ultrason (W) | Distance (cm) Sonotr.-ÉCh. | Cratères Face 6A | Cratères Face 6B |
| 1 | Sans | 0 | 4 | OUI | OUI |
| 12 | 16,7 | 50 | 2 | NON | NON |
| 22 | 16,7 | 50 | 3 | NON | OUI |
| 3 | 16,7 | 50 | 4 | OUI | OUI |
| 8 | 16,7 | 300 | 2 | NON | NON |
| 2 | 16,7 | 300 | 4 | NON | NON |
| 17 | 16,7 | 300 | 5 | NON | NON |
| 18 | 16,7 | 300 | 6 | NON | NON |
| 10 | 16,7 | 300 | 7 | OUI | OUI |
| 4 | 16,7 | 500 | 4 | NON | NON |
| 19 | 16,7 | 500 | 7 | OUI | OUI |
| 13 | 38,9 | 300 | 1 | OUI | OUI |
| 9 | 38,9 | 300 | 2 | OUI | OUI |
| 15 | 38,9 | 300 | 4 | OUI | OUI |
| 7 | 38,9 | 500 | 4 | OUI | OUI |
[0109] On constate donc que l'effet anti-cratérisation augmente lorsque :
- la puissance de la sonotrode augmente, ou la distance échantillon-sonotrode diminue,
- la fréquence des ultra-sons diminue.
Exemple 4:
[0110] Cet exemple a pour but d'illustrer l'utilisation de la méthode du suivi de la résistance électrique de l'échantillon en cours de revêtement pour connaître le niveau instantané de cratérisation de la surface.
[0111] On utilise la même installation de mise en peinture que dans l'exemple 3, en référence à la figure 1 : un bac 1 contenant un bain de peinture 2 ; un échantillon 3 et une contre-électrode 4 maintenues immergées dans le bain 2.
[0112] On implante une sonotrode 5 dans le bain, de manière à ce que les vibrations ultra-sonores qu'elle engendre soient perpendiculaires à la surface de l'échantillon 3 à revêtir; la sonotrode 5 est adaptée :
- pour fonctionner à la fréquence de 8 kHz,
- et pour délivrer la puissance ultra-sonore minimale constante de 50 W.
[0113] On distingue la face 6A exposée à la sonotrode et l'autre face opposée 6B ; la distance entre la sonotrode et l'échantillon est fixée à 11 cm.
[0114] Pour un essai « standard » de mise en peinture, on utilise des échantillons de tôle d'acier dégraissés non phosphatés et un bain non usagé de cataphorèse de la Société PPG, référencé 718 960, maintenu sous agitation mécanique et à une température constante de environ 28°C ; on polarise progressivement l'échantillon jusqu'à atteindre, en 10 secondes environ, une tension de 220 V que l'on maintient ensuite constante pendant la durée de l'essai ; la durée de l'essai est au moins de 30 secondes ; selon une variante, la « rampe de montée en tension » est de quasiment 0 seconde, au lieu de 10 secondes.
[0115] Au cours des essais, on mesure donc la résistance électrique entre l'échantillon 3 et la contre-électrode 4.
[0116] Dans les conditions « standard » et sur des échantillons d'acier galvanisé allié, en l'absence d'ultra-sons pendant la circulation du courant, on observe alors une évolution R°(t) des valeurs de résistance en fonction du temps conforme à la représentation schématique de la figure 2 : la courbe R°(t) présente un point singulier, qui peut être par exemple comme ici un maximum (valeur de résistance R max.) ou un point d'inflexion de la courbe.
[0117] La forme et l'ampleur de ce pic (ou point singulier) dépendent de la tension de polarisation appliquée.
[0118] A l'inverse, dans les mêmes conditions mais en présence d'ultra-sons, on constate que ce pic diminue ou disparaît complètement.
[0119] Parallèlement, après étuvage des échantillons revêtus, on constate que les échantillons revêtus en l'absence d'ultra-sons présentent des défauts de cratères (sur les deux faces 6A et 6B) alors que les échantillons revêtus en présence d'ultra-sons ne présentent ces défauts.
[0120] La suppression de la cratérisation à 8 kHz qu'on observe à une distance plus importante que dans l'exemple 3 à 17 kHz confirme que la fréquence des ultrasons a une incidence sur la suppression de la cratérisation ; il est possible que le diamètre des cavités intervienne dans les phénomènes en cause.
[0121] Enfin, on constate surtout qu'on obtient le même état de surface sans défauts si on applique les ultra-sons pendant toute la durée de passage du courant (cas P2 - fig.2) comme dans l'art antérieur ou si on les applique uniquement entre l'instant de début de passage du courant (temps : 0 s.) et l'instant correspondant au pic (cas P1) selon l'invention ; à l'inverse, si on applique les ultra-sons uniquement après le pic (cas P3) , même pendant une durée longue (cas P4), on n'observe aucun effet anti-cratérisant des ultra-sons.
[0122] On a donc établi que la mesure de résistance permettait de détecter l'apparition du phénomène de cratérisation en cours d'opération de revêtement et que l'application des ultra-sons uniquement pendant une première phase D (cas P1 - fig.2) de début du passage du courant est suffisante pour éviter ces défauts ; il est probable que les ultra-sons abaissent la quantité d'hydrogène présente sur les surfaces 6A et 6B, ce qui produit une diminution de la résistance électrique pendant cette première phase.
Exemple 5:
[0123] Cet exemple a pour but d'illustrer l'incidence des ultra-sons sur la vitesse de dépôt du revêtement.
[0124] On procède à des opérations de revêtement d'échantillons pendant 2 minutes dans les mêmes conditions que dans l'exemple 4 ; on mesure le poids de peinture déposé.
[0125] On constate que l'application des ultra-sons pendant le passage du courant permet d'augmenter sensiblement l'épaisseur ou le poids déposé.
[0126] En se référant à la figure 3, on constate ensuite qu'on obtient la même amélioration de vitesse de dépôt selon que l'on applique les ultra-sons pendant toute la durée de passage du courant (cas P1 - fig.3) ou seulement, selon l'invention, en fin d'opération de revêtement (cas P2).
[0127] L'application des ultra-sons permet d'augmenter la vitesse de revêtement électrophorétique sur tous les substrats ; le niveau d'amélioration obtenu dépend néanmoins de la nature du substrat : on a ainsi abouti à une augmentation comprise entre 30 et 35% sur de l'acier galvanisé, et à une augmentation de 40% environ sur de l'acier galvanisé allié ; généralement, le gain de masse obtenu est compris entre 15 et 40%.
[0128] On a donc établi que l'application des ultra-sons uniquement pendant une deuxième phase F (cas P2 - fig.3) de fin du passage du courant est suffisante pour augmenter sensiblement la vitesse moyen de dépôt.
[0129] Enfin, on a constaté que l'amélioration de la vitesse de dépôt augmentait lorsque la fréquence des ultra-sons diminue.
Exemple 6:
[0130] Cet exemple a pour but d'illustrer, en complément de l'exemple 5, l'incidence de la période de traitement aux ultrasons sur la vitesse de dépôt du revêtement.
[0131] On mesure le gain de masse déposée (%) apporté par le traitement aux ultrasons par rapport à la masse déposée sur le même substrat dans les mêmes conditions mais sans ultrasons, selon que le traitement aux ultrasons est effectué pendant les dix premières secondes de passage du courant (« 0 à 10 s. »), pendant la première minute de passage du courant (« 0 à 60s. »), pendant toute la durée de passage du courant (« 0 à 120 s. »), ou pendant la dernière minute de passage du courant (« 60s. à 120s. »).
[0132] Les essais sont effectués sur deux types de substrat : acier galvanisé (GZ) et acier galvanisé allié (GA).
[0133] Les résultats sont reportés au tableau III en fonction de la tension de polarisation appliquée.
[0134] On confirme donc que l'augmentation de la vitesse de dépôt reste très faible lorsqu'on applique les ultrasons dans la phase de début de passage du courant et qu'elle atteint au contraire un maximum lorsqu'on les applique pendant la phase de fin de passage du courant.
Exemple 7:
[0135] Cet exemple a pour but de comparer l'effet des ultra-sons sur une surface métallique nue et sur une surface métallique phosphatée ; en effet, avant mise en peinture de surfaces métalliques, il est fréquent d'effectuer un traitement de phosphatation ; il est donc important de vérifier que ce traitement ne nuit pas à l'efficacité des ultra-sons.
[0136] On a ainsi constaté, par observation au microscope électronique à balayage, que l'application des ultra-sons ne semblait pas altérer l'aspect de la couche de phosphatation.
[0137] On a également constaté que l'application des ultrasons apportait les mêmes avantages (effet anti-cratérisation - amélioration de la vitesse de dépôt) sur surface phosphatée que sur surface nue.
[0138] Dans le cas des couches phosphatée, l'application des ultrasons pendant des périodes de temps plus courtes que dans l'art antérieur, à savoir seulement dans une première phase D de début du passage du courant et/ou seulement dans une deuxième phase F à la fin du passage du courant, permet de limiter les risques de dégradation de la couche de phosphatation.
1. Procédé de revêtement par électrophorèse de la surface (6A, 6B) d'un substrat (3 ;
9) immergé dans un bain (2) d'électrophorèse, comprenant les étapes consistant à :
- faire passer un courant électrique entre cette surface servant d'électrode et une contre-électrode également plongée dans le bain (2),
- pendant le passage du courant, soumettre le bain à des mouvements de vibration au voisinage de cette surface (6A, 6B),
caractérisé en ce que :- on applique lesdits mouvements de vibration de manière à générer des cavitations vaporeuses au voisinage de cette surface (6A, 6B),
- on applique lesdits mouvements de vibration seulement dans une première phase D de début du passage du courant et/ou seulement dans une deuxième phase F de fin du passage du courant,
la phase D commençant au début du passage du courant et se terminant avant l'instant correspondant à la moitié de la durée de passage du courant,
la phase F commençant après l'instant correspondant à la moitié de la durée de passage du courant et se terminant à la fin de passage du courant.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase D se termine approximativement
à l'instant correspondant au point singulier de la courbe R°(t) d'évolution, en fonction
du temps, de la résistance électrique mesurée entre cette surface et la contre-électrode
dans les mêmes conditions mais en l'absence desdits mouvements de vibration.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la
durée de la phase D est inférieure ou égale au quart de la durée de passage du courant.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que
les mouvements de vibration correspondent à des ondes sonores ou ultrasonores.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que
ledit substrat est en acier galvanisé allié.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que
qu'on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans ladite première phase
D de début du passage du courant.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que,
au cours de ladite première phase D, l'intensité dudit courant que l'on fait passer
provoque une tension de polarisation supérieure à la tension de cratérisation de ladite
surface.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que, au début du passage du courant,
la durée de montée de la tension de polarisation jusqu'à une valeur prédéterminée
supérieure à ladite tension de cratérisation est inférieure à 1 seconde.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que
qu'on applique lesdits mouvements de vibration uniquement dans la deuxième phase F
de fin du passage du courant.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que,
pendant ladite deuxième phase F, on applique les mouvements de vibration uniquement
au voisinage de zones prédéterminées de ladite surface (3A, 3B) en vue d'y déposer
un revêtement plus épais que sur les autres zones de ladite surface.
11. Installation (7) de revêtement en continu de la surface de pièces (9) par électrophorèse,
utilisable pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, du type comprenant un bac (8) pour contenir un bain d'électrophorèse,
des moyens (10) pour immerger la surface, pour convoyer les pièces (9) en défilement
dans le bac puis les en extraire, au moins une contre-électrode plongée dans le bain,
des moyens pour faire passer un courant électrique entre ladite surface et la contre-électrode,
et des moyens (11, 12) pour appliquer des mouvements de vibrations dans le bain au
voisinage de ladite surface en défilement,
caractérisée en ce que ces moyens (11, 12) de vibrations sont adaptés pour :
caractérisée en ce que ces moyens (11, 12) de vibrations sont adaptés pour :
- appliquer lesdits mouvements de vibration de manière à générer des cavitations vaporeuses au voisinage de ladite surface de pièces (9),
- appliquer lesdits mouvements de vibration seulement dans la « zone d'immersion » des pièces et/ou seulement dans la « zone d'extraction » des pièces,
la « zone d'immersion » des pièces le long du chemin de défilement commençant approximativement à l'endroit correspondant au début de passage du courant et se terminant en deçà de la moitié de la longueur dudit bac (8),
la « zone d'extraction » des pièces le long du chemin de défilement commençant au delà de la moitié de la longueur dudit bac (8) et se terminant approximativement à l'endroit correspondant à la fin de passage du courant.
12. Installation selon la revendication 11 caractérisée en ce que la « zone d'immersion
» se termine approximativement à l'endroit correspondant à l'instant correspondant
au point singulier de la courbe R°(t) d'évolution, en fonction du temps, de la résistance
électrique mesurée entre cette surface et la contre-électrode dans les mêmes conditions
mais en l'absence desdits mouvements de vibration.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, caractérisée en ce
que la longueur de la zone d'immersion dans la direction de défilement est inférieure
ou égale au quart de la longueur dudit bac (8).
14. Installation selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée en ce
que lesdits moyens de vibration (11, 12) sont adaptés pour générer des ondes sonores
ou ultrasonores.
15. Installation selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce
que lesdits moyens de vibration (11) sont immergés dans ladite « zone d'immersion
» et/ou en ce que lesdits moyens de vibration (12) sont immergés dans ladite « zone
d'extraction ».