Cet article en deux parties résume les points clés de l'article sur l'électropolissage et présente en avant-première la conférence de Tverberg à InterPhex, qui aura lieu plus tard ce mois-ci. Dans cette première partie, nous aborderons l'importance de l'électropolissage des tubes en acier inoxydable, les techniques d'électropolissage et les méthodes d'analyse. La seconde partie présentera les dernières recherches sur les tubes en acier inoxydable passivés et polis mécaniquement.
Partie 1 : Tubes en acier inoxydable électropolis. Les industries pharmaceutique et des semi-conducteurs consomment de grandes quantités de tubes en acier inoxydable électropolis. Dans les deux cas, l’acier inoxydable 316L est l’alliage de prédilection. On utilise parfois des alliages d’acier inoxydable contenant 6 % de molybdène ; les alliages C-22 et C-276 sont importants pour les fabricants de semi-conducteurs, notamment lorsque l’acide chlorhydrique gazeux est utilisé comme agent de gravure.
Caractérisez facilement les défauts de surface qui seraient autrement masqués par le labyrinthe d'anomalies de surface que l'on trouve dans les matériaux plus courants.
L'inertie chimique de la couche passivant est due au fait que le chrome et le fer sont tous deux à l'état d'oxydation 3+ et ne sont donc pas des métaux à l'état zérovalent. Les surfaces polies mécaniquement conservent une teneur élevée en fer libre dans le film, même après une passivation thermique prolongée à l'acide nitrique. Ce seul facteur confère aux surfaces électropolies un avantage considérable en termes de stabilité à long terme.
Une autre différence importante entre les deux surfaces réside dans la présence (surfaces polies mécaniquement) ou l'absence (surfaces électropolies) d'éléments d'alliage. Les surfaces polies mécaniquement conservent la composition d'alliage principale avec une faible perte d'autres éléments d'alliage, tandis que les surfaces électropolies ne contiennent principalement que du chrome et du fer.
Fabrication de tubes électropolis : Pour obtenir une surface électropolie lisse, il faut partir d’une surface lisse. Cela implique l’utilisation d’un acier de très haute qualité, conçu pour une soudabilité optimale. Un contrôle rigoureux est nécessaire lors de la fusion du soufre, du silicium, du manganèse et des éléments désoxydants tels que l’aluminium, le titane, le calcium, le magnésium et la ferrite delta. La bande doit subir un traitement thermique afin de dissoudre toute phase secondaire susceptible de se former lors de la solidification ou pendant le traitement à haute température.
De plus, le type de finition de surface est primordial. La norme ASTM A-480 répertorie trois finitions de surface à froid disponibles dans le commerce : 2D (recuit à l’air, décapé et laminé à froid), 2B (recuit à l’air, décapé et poli au laminoir) et 2BA (recuit brillant et poli au bouclier).
Le profilage, le soudage et le réglage du cordon doivent être contrôlés avec précision afin d'obtenir un tube aussi rond que possible. Après polissage, même la plus infime imperfection de la soudure ou un cordon plat sera visible. De plus, après électropolissage, les traces de laminage, les motifs de laminage des soudures et tout dommage mécanique en surface seront manifestes.
Après traitement thermique, le diamètre intérieur du tube doit être poli mécaniquement afin d'éliminer les défauts de surface formés lors de la fabrication de la bande et du tube. À ce stade, le choix de la finition de la bande devient crucial. Si le pli est trop profond, il est nécessaire d'enlever davantage de métal de la surface intérieure du tube pour obtenir une surface lisse. Si la rugosité est faible ou inexistante, il suffit d'enlever moins de métal. La meilleure finition électropolie, généralement de l'ordre de 5 micro-pouces ou moins, est obtenue par polissage longitudinal en bande. Ce type de polissage enlève la majeure partie du métal de la surface, généralement de l'ordre de 0,001 pouce, éliminant ainsi les joints de grains, les imperfections de surface et les défauts de formation. Le polissage par tourbillonnement enlève moins de matière, crée une surface « opaque » et produit généralement une rugosité Ra (rugosité moyenne de surface) plus élevée, de l'ordre de 10 à 15 micro-pouces.
L'électropolissage est un procédé de revêtement inversé. Une solution d'électropolissage est pompée sur le diamètre intérieur du tube tandis que la cathode y est aspirée. Le métal est de préférence éliminé des points les plus saillants de la surface. Le but du procédé est de galvaniser la cathode avec le métal dissous à l'intérieur du tube (c'est-à-dire l'anode). Il est important de contrôler l'électrochimie afin d'éviter la formation d'un revêtement cathodique et de maintenir la valence appropriée pour chaque ion.
Lors du polissage électrolytique, de l'oxygène se forme à la surface de l'anode ou de l'acier inoxydable, et de l'hydrogène à la surface de la cathode. L'oxygène est essentiel à l'obtention des propriétés spécifiques des surfaces polies électrolytiquement : il permet d'accroître l'épaisseur de la couche de passivation et d'obtenir une passivation efficace.
L'électropolissage s'effectue sous la couche dite « Jacquet », composée de sulfite de nickel polymérisé. Tout élément perturbant la formation de cette couche engendre un défaut de surface électropolie. Il s'agit généralement d'ions, tels que les chlorures ou les nitrates, qui empêchent la formation du sulfite de nickel. Parmi les autres substances interférentes, on trouve les huiles de silicone, les graisses, les cires et autres hydrocarbures à longue chaîne.
Après électropolissage, les tubes ont été rincés à l'eau puis passivés dans de l'acide nitrique chaud. Cette passivation supplémentaire est nécessaire pour éliminer toute trace de sulfite de nickel et améliorer le rapport chrome/fer en surface. Les tubes passivés ont ensuite été rincés à l'eau de procédé, placés dans de l'eau déminéralisée chaude, séchés et conditionnés. Si un conditionnement en salle blanche est requis, les tubes sont rincés une nouvelle fois à l'eau déminéralisée jusqu'à obtention de la conductivité spécifiée, puis séchés à l'azote chaud avant conditionnement.
Les méthodes les plus courantes d'analyse des surfaces électropolies sont la spectroscopie d'électrons Auger (AES) et la spectroscopie photoélectronique X (XPS), également appelée spectroscopie d'analyse chimique par électrons. L'AES utilise les électrons générés près de la surface pour produire un signal spécifique à chaque élément, ce qui permet d'obtenir la distribution des éléments en fonction de la profondeur. La XPS utilise des rayons X mous qui créent des spectres d'absorption, permettant ainsi de distinguer les espèces moléculaires selon leur état d'oxydation.
Une valeur de rugosité de surface associée à un profil de surface similaire à l'aspect de la surface ne signifie pas que celle-ci présente le même aspect. La plupart des profileurs modernes peuvent fournir de nombreuses valeurs de rugosité, notamment Rq (également appelée RMS), Ra, Rt (différence maximale entre le creux et le pic), Rz (hauteur moyenne du profil maximal) et plusieurs autres. Ces valeurs sont obtenues par divers calculs effectués en un seul passage sur la surface avec une pointe diamantée. Lors de ce passage, une zone appelée « coupure » ​​est sélectionnée électroniquement et les calculs sont basés sur cette zone.
Il est possible de mieux décrire les surfaces en combinant différentes valeurs de conception telles que Ra et Rt, mais aucune fonction unique ne permet de distinguer deux surfaces différentes présentant la même valeur de Ra. L'ASME publie la norme ASME B46.1, qui définit la signification de chaque fonction de calcul.
Pour plus d'informations, contactez : John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Téléphone : 262-642-8210.