Influence des paramètres de déposition sur les propriétés des couches électrodéposées

Influence des paramètres de déposition sur les propriétés des couches électrodéposées

L’effet des paramètres physico-chimiques sur la composition et la nature des couches électrodéposées a été étudié par plusieurs chercheurs (Kozlov et al 2003, Zangeneh-Madar et al 2004, Lin et al 2005, Li et al 2007, Chang et al 2008, Bernardi et al 2008, Zhou et al 2016). Les principaux paramètres qui ont un effet direct sur les couches électrodéposées sont : la concentration de la solution électrolytique, le pH, la température du bain, le temps de déposition, la nature du substrat, la densité du courant et le potentiel appliqué. La variation de ces paramètres résulte en une augmentation ou une diminution du métal dans la couche électrodéposée. 

Concentration de l’électrolyte

La formation des alliages par électrodéposition dépend fortement de la quantité métallique dans l’électrolyte. La concentration doit être respectée car elle influence le type de dépôt, la nature des phases cristallines et les teneurs des éléments. Dans les dépôts Ni‒P, les ions de NaH3PO2 ‒ ont été utilisés comme une source de phosphore et jouent le rôle de réducteur. Ainsi, une augmentation de la concentration des NaH3PO2 ‒ entraîne une élévation de la teneur en phosphore dans la couche et conduit progressivement à l’affinement des grains. Aussi, il est possible de former un matériau amorphe en utilisant des solutions très concentrées des ions de NaH3PO2 ‒ (Mahalingam et al 2007). Dans les revêtements Ni‒Co‒ P, une structure amorphe a été obtenue lorsque la solution contient une quantité de sodium hypophosphite supérieure à 16 g l‒1 (Huang et al 2007). Yu et al ont montré que l’augmentation de la concentration du NaH3PO2 ‒ de 4 à12 g/l résulte en une augmentation du taux de déposition et une amélioration de la résistance à la corrosion des dépôts Ni‒W‒P (Yu et al 2017). Les solutions électrolytiques peuvent contenir des additifs organiques ou inorganiques. Ces additifs peuvent améliorer le fonctionnement du bain et les propriétés du dépôt telles que la microstructure, les propriétés mécaniques et électrochimiques. On peut ainsi, grâce à des additifs spécifiques, accroître la stabilité de la solution, augmenter la vitesse du dépôt et modifier le mécanisme d’électrodéposition. Généralement, les additifs sont ajoutés dans le bain d’électrodéposition en faible quantité car ces derniers peuvent   s’incorporer dans le dépôt, ce qui va accroitre la teneur des impuretés et peut modifier les propriétés du dépôt. L’addition de saccharine permet de réduire les contraintes internes et affiner la taille des grains. Le sulfate et le chlorure ont été ajoutés dans le bain d’électrodéposition pour améliorer la conductivité ionique et permettent d’obtenir des grains plus fins. L’acide borique (H3BO3) permet de compenser la perte de pH. 

Température du bain

La température utilisée dans les procédures électrochimiques offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes physiques. C’est un facteur très important pour électrodéposer les alliages à base de Ni‒P car le phosphore possède une faible température de fusion (250°C). Cependant, la teneur en phosphore dans le dépôt est bien liée à la température appliquée dans le bain. Les effets de la température sur la composition des alliages Ni‒P ont révélé que la présence de phosphore dans le dépôt augmente avec l’augmentation de la température du bain (Qin 2011). Ainsi, l’élévation de la température permet l’augmentation rapide du taux de déposition du phosphore par rapport au nickel. Ce qui augmente le pourcentage du phosphore dans le dépôt.

Le pH

L’influence du pH sur les propriétés des dépôts Ni‒P a fait l’objet de plusieurs études. Les expériences réalisées dans un bain contenant du sodium hypophosphide à différents pH ont montré que l’augmentation de ce dernier conduit à une diminution remarquable de la teneur en phosphore dans le dépôt (Pouderoux, et al 1991, Harris, et al 1993). Dans les couches Ni‒P, la concentration du phosphore diminue de 22,2 at.% jusqu’à 6,73 at.% pour des valeurs du pH de 4,2 et 7,2, respectivement (Czagany et al 2017). Aussi, l’élévation du pH peut conduire à une augmentation de la vitesse du dépôt et une diminution de la stabilité du bain. En particulier, un pH supérieur à 10 permet de précipiter les oxydes durant le processus de déposition. Un pH entre 4 et 5 permet la minimisation des contraintes internes et l’obtention des tailles de grains plus fines (Ebrahimi et al, 1999). D’après l’étude de Karbal, la nature et la couleur du dépôt obtenu permet de déterminer la valeur de pH (Karbal 1986). Pour un pH trop basique, le dépôt est noir à cause de la formation de l’hydroxyde de nickel Ni(OH)2 au niveau de la cathode. Pour un pH compris entre 3 et 4,5, les dépôts sont brillants alors que pour un pH inférieur à 2, les échantillons sont ternes avec des taches noires.

Nature du substrat

La qualité d’un dépôt électrochimique est conditionnée par la qualité du substrat. L’obtention d’un dépôt correct passe par la préparation d’un substrat de qualité afin d’éviter toute interposition de substances étrangères. La texture initiale du dépôt est fortement influencée par la nature du substrat (Kozlov et al 2003).

Temps de déposition

Dans les procédures électrochimiques, le temps de déposition ne dépasse pas quelques heures. Bien que la durée du temps soit relativement petite, elle reste un facteur nécessaire pour l’obtention d’un bon dépôt. En effet, plus la durée est importante plus l’agitation de la solution électrolyte continue, et la propagation des ions métalliques vers la cathode augmente. Le temps est un facteur important pour obtenir une épaisseur suffisante (Taheri 2002).

Densité de courant

L’augmentation de la densité de courant conduit à une diminution progressive de la teneur en phosphore (Chou et al 2005, Tsai et al 2014). Zhou et al ont montré que l’augmentation de la densité de courant de 5 à 22 A/dm2 résulte en une augmentation important du taux de déposition de 40.6 jusqu’à 168 μm/h (Zhou et al 2017). Il a été rapporté que l’augmentation de la densité de courant provoque une augmentation de la taille des grains et les contraintes résiduelles (Rasmussen et al 2006). Cependant, lorsque la densité de courant varie, il en résulte un changement des propriétés des dépôts. Dans les revêtements Cu‒Ni électrodéposés à différentes densités de courant, le dépôt obtenu avec une faible densité de courant est diamagnétique riche en cuivre. Par contre, il est ferromagnétique riche en nickel dans le cas contraire (Baskaran et al 2006).

Potentiel appliqué

L’agitation du bain par un balayage d’un potentiel favorise le renouvellement des espèces chimiques au voisinage de l’électrode, ce qui augmente l’homogénéité du dépôt. Elle provoque aussi le départ des bulles d’hydrogène qui se forment sur la surface du dépôt Chapitre II : Etudes expérimentales 39 pendant la déposition. La nature chimique du métal déposé dépend du potentiel imposé. Ainsi, l’application d’un potentiel de plus en plus négatif entre les électrodes, tend à accroitre la teneur du métal le moins noble (Bennett et al 1990). Par exemple, dans l’alliage Co‒Fe électrodéposé, le potentiel de formation du fer est plus négatif que celui du cobalt car le cobalt est plus noble que le fer c’est‒à‒dire le potentiel d’équilibre du cobalt est plus électropositif (Kalu 2007).