Caractérisation tribologique des revêtements de chrome

Tribological behavior of chromium electrodeposits

Laboratoire de Chimie des Matériaux et des Interfaces, Université de Franche-Comté, Route de Gray, 25009 Besançon cedex France

Résumé

Les revêtements de chrome à vocation technique, généralement appelés "chrome dur" ou "chrome fonctionnel", sont élaborés à partir de solutions d'acide chromique. Ils sont caractérisés par une dureté, une résistance à l'usure et une résistance à la corrosion élevées. Ces propriétés peuvent être modifiées en fonction de la composition de l'électrolyte ou des conditions opératoires (température, densité de courant, ...). La forme de l'onde de polarisation est également très importante car elle affecte la qualité du revêtement.

Ce travail a pour but de déterminer l'influence de l'onde de polarisation, en particulier, l'utilisation de courants pulsés, sur les propriétés tribologiques des revêtements de chrome.

L'électrolyte utilisé pour cette étude est une solution commerciale d'anhydride chromique (250g.L^-1 CrO₃, 25 ml.L^-1 H₂SO₄): HEEF 25 d'Atotech. Le substrat est un acier au carbone (C48), contenant en moyenne 0,48 % de carbone. La face de l'échantillon à recouvrir a une finition poli spéculaire, sa rugosité totale est inférieure au micromètre.

Un revêtement élaboré en courant continu dans les conditions fixées par le fournisseur (T = 55°C, I_cc = 50 A-dm^-2) a servi de “référentiel”. L'onde non-stationnaire (courants pulsés) utilisée pour les autres revêtements présente deux formes : “courant pulsé simple” (sans inversion anodique) ou “courant pulsé avec inversion” (avec un ratio Q_a/Q_c des quantités d'électricité anodique et cathodique variables). Deux revêtements “stratifiés”, d'une épaisseur totale de 30 ìm, appelés M1 et M2, ont été élaborés dans les conditions de polarisation distinctes. M₁ et M₂ sont composés respectivement de 3 et 4 strates. Les paramètres d'élaboration des différentes couches sont les suivantes:

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  Revêtements M1, constitué de 3 strates :

  Strate 1 : onde imposée a (fig. la) : J_c = 35 A/dm², Ja = 35 A/dm², T_c/T_a = 1 500.

  Strate 2 : onde imposée b (fig. lb) : Jc = 35 A/dm², J_a = 35 A/dm², T_c/T_a = 330.

  Strate 3 : onde imposée c (fig. lc) : J_c = 40 A/dm², T = T_c + T_r = 6 s

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  Revêtements M₂ constitué de 4 strates :

  Les trois premières strates sont les mêmes que celles de M₁.

  Strate 4 : onde imposée d (fig ld) : J_c = 40 A/dm², T = T_c + T_r = 6 s

L'analyse des différents revêtements au microscope optique montre que le dépôt obtenu par courant continu est fissuré et d'aspect brillant alors que ceux obtenus par courants pulsés sont non fissurés et d'aspect mat. La forme d'onde influence donc sur la morphologie du revêtement, ainsi que la quantité d'hydrogène occlus.

Les propriétés morphologiques et tribologiques sont également affectées par les conditions de polarisation et en particulier, par le rapport Q_a/Q_c).

La tribométrie pion-plan linéaire a permis de caractériser le comportement tribologique du revêtement. Le frotteur est constitué d'une bille de WC (diamètre 2 mm) qui exerce une charge normale (équivalent à une pression normale hertzienne de 0,99 GPa). avec une vitesse de glissement de 1 mm/s. Les comportements tribologiques des revêtements stratifiés sont significativement différents bien que le coefficient de friction, µ, obtenus pour les revêtements de chrome soit compris entre 0,3 et 0,4. Pour les revêtements M₁, composés de trois strates, on observe une forte oscillation traduisant un phénomène de stick-slip. L'observation au microscope optique et profilométrie 3D montre une dégradation surfacique importante. En revanche, les revêtements M₂ (constitués de quatre strates) présentent un coefficient de frottement quasi constant et des traces d'usure à peine visible au bout de 1000 cycles.

Abstract

Chromium deposits used for engineering purposes, usually termed hard or functional chromium, are produced from chromic acid solutions. They offer hardness, wear resistance and corrosion resistance. The structure and properties of chromium deposits are modified by the electrolyte composition or by the plating conditions (temperature, current density, ...). The current source is also most important in that its waveform greatly affects the quality of the deposits. The aim of this work is to study the influence of the use of periodic current reversal during the deposition process (pulse plating) on the tribological behavior of the chromium coatings. Chromium is deposited from a commercial acid solution of chromic anhydride (250g.L^-1 CrO₃, 25 ml-L^-1 H₂SO₄) called HEEF 25 from Atotech. The metallic coatings were deposited onto carbon steel substrate (0.48% of carbon). The substrate surface was mirror finishing: final roughness is less than 1 µm.

A “reference” chromium deposit was performed using operating conditions recommended by the hard chromium manufacturer (T = 55°C, I_cc =50 A-dm^-2). For the others deposits studied, pulsed current deposition was used. Two type of current waveforms were applied: “simple” periodic current (without anodic pulse) and periodic current reversal (with varied electrical charges ratio Q_a/Q_c in the anodic and in the cathodic pulse) (fig 1). Two “stratified” chromium coatings (total thickness : 30 µm), called M₁ and M₂, were performed using different plating conditions. M1 and M2 are composed respectively of three and four “layers”.

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  M₁

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    layer I : waveform la (fig. 1) : Jc = 35 A/dm₂, Ja = 35A/dm₂, T_c/T_a = 1500.

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    layer 2 : waveform 1b (fig. 1) : Jc = 35 A/dm₂, Ja = 35 A/dm₂, T_c/T_a = 330.

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    layer 3 : waveform 1c (fig. 1) : Jc = 40 A/dm², T = T_c + T_r = 6 s

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  M₂.

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    the plating conditions of the three initial layers are similar of M₁.

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    layer 4 : waveform Id (fig I) : Jc = 40 A/dm², T = T_c + T_r = 6 s

Metallurgical characterization of the coatings was performed on samples prepared metallographically on the cross-section. The friction and wear test was carried out in continuous conditions. Microscopy observations show that the direct current (CC) produces bright and uniform cracked chromium while the appearance of pulsed current “stratified” chromium coatings are mat and micro-cracked or “crack-free”. By applying a sufficiently large value of Q_a/Q_c, the hydrogen content in the coating is minimized, so the number of cracks decrease markedly.

The metallurgical and tribological behavior vary significantly with the conditions of polarization. The hardness and friction test results indicate the strongly role of plating conditions and in particular, the influence of Q_a/Q_c ratio.

A pin-on-disk tribometer was used with a WC pin (2 mm diameter). The sliding speed and the normal load used in this test were respectively equal to I mm.s-1 and 1 N (equivalent to mean Hertzian normal pressure of 0.99 GPa). The tribological behavior of the stratified coatings is significantly different even if the mean values of the friction coefficient, µ, obtained for the chromium coatings is between 0.3 and 0.4. For the “three layers coating”, M₁, the pattern of µ versus number of cycles presents oscillations (stick-slip phenomena) then a higher and constant value (0.4) tended to stabilize for longer cycles. The corresponding samples show severe metal damage. The behavior of "four layers" coating M₂ is reflected by a quasi-constant p values. Morphological analysis of samples indicate a slight surface degradations, confirmed by the 3D profilometric analysis.