Étude des mécanismes d'électropolissage dédié aux métaux précieux et semi-précieux

Study of electropolishing mechanisms of precious and semi-precious metals

• Auteur / Autrice : Julymar Rodriguez
• Direction : Marie-Laure Doche, Jean-Yves Hihn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UTINAM - Univers, Temps-fréquence, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules

Mots clés

Mots clés libres

Électropolissage

Or

Métaux précieux

Métaux semi-précieux

Électrochimie

Electropolishing

Gold

Precious metals

Semi-precious metals

Electrochemistry

Résumé

Le polissage électrochimique aussi appelé électropolissage (EP) est un procédé électrolytique de parachèvement des objets métalliques qui vise à améliorer leurs propriétés esthétiques et fonctionnelles. Sa spécificité réside dans la dissolution anodique contrôlée d'une fine couche de surface, dirigée préférentiellement sur les micro-aspérités, qui permet d'aboutir en une seule étape non seulement au nivellement de la pièce traitée mais aussi à son brillantage. C'est donc un procédé que l'on peut qualifier de super-finition permettant, en quelques minutes, d'atteindre une rugosité sub-micrométrique associée à la brillance de la pièce. Contrairement aux techniques de finition mécaniques traditionnelles (usinage, rodage, polissage…) c'est un procédé sans contact et donc sans perturbation métallurgique de la couche superficielle obtenue après enlèvement de matière. Il ne nécessite pas d'outils et s'adapte facilement aux pièces de géométrie complexes et aux structures fines en treillis. Connu depuis près d'un siècle, son application au traitement des métaux précieux est en revanche assez marginale et la bibliographie dédiée à l'électropolissage de l'or et de ses alliages est extrêmement pauvre. Ceci s'explique par le fait que les mécanismes mis en jeux ne sont pas complètement investigués et qu'en l'absence de modélisation prédictive, il est nécessaire de déterminer expérimentalement, pour chaque alliage, une formulation d'électrolyte adaptée et des paramètres électriques de traitement (en tension ou courant). Les électrolytes de polissage sont en général constitués de composés dangereux ou toxiques (fluorure, perchlorate, cyanure, cyanate, thiourée …). Ainsi la dangerosité des bains et la complexité apparente de la technique sont un frein au développement d'opérations industrielles dans les secteurs de l'horlogerie, de la joaillerie ou du luxe en général, pourtant désireux d'automatiser les procédés de finitions, en particulier pour les designs complexes. Le projet de recherche aura donc pour objectif d'étudier et de proposer un procédé soutenable d'électropolissage pour l'or et ses alliages (jaune, rose, gris, …) en rupture avec les travaux précédents du laboratoire sur l'électropolissage de métaux à haute résistance mécanique réalisé par dissolution dans des mélanges acides. Une attention particulière sera portée à la compréhension des mécanismes au regard des caractéristiques métallurgiques, topographiques et géométriques des substrats, avec une étude de la densité spectrale de puissance des motifs de rugosité. L'un des verrous scientifiques majeur à lever sera la recherche de solutions de polissage ayant un impact environnemental le plus réduit possible (exemptes de composés dangereux ou pathogènes tels que fluorure, cyanure, thiourée, …) en utilisant une large gamme de complexants combinés à l'emploi d'ondes de polarisation pulsées, de fréquence et amplitude variables. Cette analyse de la réponse du système constituera un enjeu majeur dans le potentiel d'exploitation futur des procédés développés.

Electrochemical polishing, also known as electropolishing (EP), is an electrolytic process for metallic objects finishing to improve their aesthetic and functional properties. Its specificity lies in the controlled anodic dissolution of a thin surface layer, preferably directed on the micro-asperities, which enables to achieve in a single step not only the levelling of the treated part but also its brighthening. It is therefore a process that allows, in a few minutes, to obtain a sub-micrometric roughness associated with the brigthness of the object. Unlike traditional mechanical finishing techniques (machining, lapping, polishing, etc.), it is a non-contact process and therefore does not disturb the metallurgical properties of the surface layer. It is easy to adapt to pieces with complex geometries and fine lattice structures. Known for almost a century, its application to the treatment of precious metals is however rather marginal and the bibliography dedicated to the electropolishing of gold and its alloys is extremely poor. This is due to the fact that the mechanisms involved are not fully investigated and that, in the absence of predictive modelling, it is necessary to determine experimentally, for each alloy, a suitable electrolyte formulation and electrical treatment parameters (in voltage or current). Polishing electrolytes are generally made up of toxique or dangerous chemicals (fluoride, perchlorate, cyanide, cyanate, thiourea, etc). Thus, the baths toxicity and the apparent complexity of the technique are an obstacle to the development of industrial operations in the watchmaking, jewellery and luxury sectors in general. The objective of the research project will therefore be to study and propose a sustainable electropolishing process for gold and its alloys (yellow, pink, gray, etc.). Particular attention will be paid to understanding the mechanisms with regard to the metallurgical, topographic and geometric characteristics of the substrates, with a study of the power spectral density of the roughness patterns. One of the major scientific obstacles to be overcome will be the search for polishing electrolytes with the lowest possible environmental impact (free of hazardous or pathogenic compounds such as fluoride, cyanide, thiourea, etc.) by using a wide range of complexing agents combined with the use of pulsed polarisation waves of variable frequency and amplitude. This analysis of the system response will be a major issue in the future potential exploitation of the developed processes.