Techniques d’enrobage pour la préparation des échantillons en métallographie

L’enrobage en métallographie

En préparation métallographie, l’enrobage des échantillons sert essentiellement à faciliter la manipulation des pièces dont la forme ou le volume risquent de compliquer les étapes ultérieures de leur préparation ainsi que leur analyse. Il vise en outre à préserver les bords complexes et les défauts de surface lors de la préparation métallographique. La méthode d’enrobage sélectionnée se doit de respecter parfaitement la microstructure de l’échantillon, la pression et la chaleur étant les deux facteurs les plus susceptibles de l’endommager.

C’est en 1928 que les métallographes utilisent les premiers phénoplastes pour l’enrobage à chaud des échantillons. Alors que les pièces étaient précédemment préparées sans enrobage ou enrobées dans des poudres de soufre, de la cire ou des alliages à bas point de fusion, tel que le métal de Wood, ces « résines d’enrobage » n’allaient pas sans poser des problèmes. L’avènement des polymères permet ici une avancée majeure. Par la suite, nombre d’entre eux font, dès leur lancement, l’objet de développements en vue de leur utilisation comme résines d’enrobage. Dans les années 1950, l’apparition des résines à froid vient enrichir la boîte à outils des métallographes. Leur simplicité d’utilisation – puisqu’elles permettent de se passer d’une enrobeuse à chaud – et leur polymérisation à basse température en font une alternative de choix.

Utilisation de clips pour l’enrobage

Depuis de nombreuses années, les clips sont utilisés pour l’enrobage de coupes transversales ou de pièces fines. Pratiques et rapides, ils permettent de serrer en sandwich plusieurs échantillons de ce type pour les maintenir lors de l’enrobage.

Bien utilisés, les clips assurent une excellente préservation des bords et évitent les phénomènes de ressuage. Les bords extérieurs des clips seront de préférence biseautés pour abîmer le moins possible les draps de polissage. Une mauvaise utilisation avec des écarts entre les échantillons risque d’emprisonner les fluides et abrasifs, qui suinteront alors, masquant les bords et causant éventuellement des contaminations croisées. Un bon ajustement des clips permet de minimiser le problème, tout comme le positionnement d’entretoises en plastique entre les échantillons ou l’application d’un revêtement époxy sur leur surface avant le serrage.

Enrobage à chaud

La méthode la plus fréquente pour enrober un échantillon avec une résine thermodurcissable ou thermoplastique utilise la pression et la chaleur. Les résines phénoliques (PhenoCure), la Diallyl phtalate et les résines époxy (EpoMet) comptent parmi les résines thermodurcissables courantes, tandis que le méthacrylate de méthyle (TransOptic) est la résine d’enrobage thermoplastique la plus utilisée pour la transparence. Le Tableau 2.1 ci-dessous indique les propriétés des résines d’enrobage à chaud.
Tableau 2.1 : Caractéristiques des résines d’enrobage à chaud
Matériaux Tous usages Préservation des bords optimale ;
très faible retrait ;
particules de petite taille ;
infiltration des moindres fentes
Préservation des bords optimale ;
très faible retrait
Résistance électrique pratiquement nulle
MEB - EDS/WDS
Transparence
Céramiques PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
Aciers PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
Placages PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
Aluminium PhenoCure     ProbeMet TransOptic
Cuivre/laiton PhenoCure     ProbeMet TransOptic
Couleur Noir, rouge ou vert Noir Noir Cuivre Transparent
Température 150&#degC 150&#degC 150&#degC 150&#degC 177&#degC
Pression 290bar 290bar 290bar 290bar 145bar
Les résines thermodurcissables comme les résines thermoplastiques ont besoin de chaleur et de pression lors du cycle d’enrobage. Mais après la polymérisation, les enrobages en résine thermoplastique doivent être refroidis sous pression à au moins 70°C, tandis que les enrobages en résine thermodurcissable peuvent être démoulés à la température de moulage maximum. Le refroidissement sous pression des résines thermodurcissables jusqu’à une température avoisinant la température ambiante avant le démoulage réduira toutefois nettement la formation d’interstices et les retraits.

Figure 2.1 L'interstice apparue lors du retrait entre l'echantillon et la résine pnénolique a nui à la netteté des bords de cet acier allié type 8620 mal cémenté - a: 500CX b: 1000X (2 % nital)
Évitez à tout prix de refroidir rapidement un enrobage thermodurcissable avec de l’eau après l’avoir démoulé à la température d’enrobage. Le métal se rétractera alors, les différences de contraction thermique créant des interstices entre celui-ci et la résine d’enrobage compromettant ainsi la netteté des bords (cf. Figure 2.1).

Parmi ces résines, la résine époxy thermodurcissable EpoMet offre la meilleure préservation des bords (cf. Figure 2.2) et résiste très bien aux réactifs d’attaque chauds ou bouillants, qui, par contre, altèrent gravement les résines phénoliques.

Figure 2.2 Excellente préservation des bords d'un échantillon en acier allié boruré 42CrMo4 enrobé dons de la résine EpoMet (1000X, 2 % nital)
Les enrobeuses à chaud vont des simples appareils de laboratoire associant un élément chauffant et un moule, aux équipements entièrement automatiques dotés du système de refroidissement intelligent SmartCool, qui termine le cycle dès que l’échantillon peut être manipulé sans danger (cf. Figure 2.3).

Entre autres avantages, la méthode à chaud assure des enrobages de tailles et de formes uniformes très pratiques. De nombreuses informations peuvent en outre être gravées au dos de ceux-ci – ce qui est plus difficile avec les échantillons non enrobés. L’enrobage à chaud simplifie également le polissage manuel en facilitant la préhension des pièces.

Pour le polissage semi- ou entièrement automatique, les échantillons enrobés sont par ailleurs plus faciles à placer à plusieurs dans un porte-échantillons que les pièces non enrobées. L’utilisation des supports et draps de polissage est d’autre part plus simple sur les échantillons enrobés que sur ceux qui ne le sont pas.
Figure 2.3 SimpliMet 4000 Automatic Mounting Press

Enrobage à froid

La plupart des résines d’enrobage à froid ne nécessitent ni pression ni chaleur externe et sont dès lors recommandées pour l’enrobage des échantillons sensibles à ces facteurs. Peu coûteuses et offrant une polymérisation rapide, les résines acryliques telles que VariDur et SamplKwick sont les plus utilisées pour l’enrobage à froid, même si elles peuvent présenter des problèmes de retrait. Bien que plus chères, les résines époxy sont généralement choisies pour leurs avantages : adhérence aux échantillons, retrait faible ainsi que l’infiltration des fissures et porosités, surtout avec une chambre d’imprégnation sous vide (cf. Figure 2.4) et une résine époxy telle qu’EpoThin 2.

Figure 2.4 Vacuum Impregnation Equipment
Les résines époxy sont la formule idéale pour l’enrobage des échantillons fragiles ou friables, ainsi que pour les matériaux enclins à la corrosion ou l’oxydation. L’ajout de colorants ou d’agents fluorescents à ce type de résines facilite l’examen d’échantillons poreux, tels les revêtements par projection thermique. La polymérisation de la plupart des résines époxy s’effectue à température ambiante et dure de 1 à 9 heures. Avec certaines, elle peut être accélérée en élevant légèrement la température, tant que ce réchauffement n’altère pas l’échantillon. Le Tableau 2.2 ci-dessous présente les caractéristiques des résines à froid.
Figure 6.2 Deformed, elongated grain structure of extruded 6061-F aluminum after shearing revealed by anodizing with Barkers reagent (polarized light, 100X)
Tableau 2.2 : Caractéristiques des résines d’enrobage à froid
Nom Type Température maximale Dureté Shore D* Durée de la polymérisation Moule recommandé Propriétés
EpoThin 2 Époxy 65&#deg;C 78 9 heures Aucun en particulier Transparente, très faible viscosité, faible retrait, idéale pour l’imprégnation sous vide
EpoxiCure 2 Époxy 40&#deg;C 80 6 heures Aucun en particulier Transparente, résine époxy universelle, faible retrait
EpoKwick FC Époxy 121&#deg;C 82 2 heures Aucun en particulier Transparente, résine époxy à polymérisation rapide, faible retrait, très faible viscosité
EpoHeat CLR Époxy 162&#deg;C 82 1 heure Aucun en particulier Résine époxy transparente, la longue durée de conservation du produit préparé permet de mélanger de grandes quantités
VariDur 3003 Acrylique 122&#deg;C 90 15-30 minutes Aucun en particulier Très faible retrait avec une dureté élevée
SamplKwick Acrylique 81&#deg;C 85 5-8 minutes Aucun en particulier Translucide, résine universelle, léger retrait
VariKleer Acrylique 100&#deg;C 84 5-15 minutes SamplKup Résine acrylique transparente, universelle, chambre à pression requise pour assurer la transparence, retrait minimal. Ne pas utiliser de moules réutilisables en silicium ou EPDM afin d’obtenir des échantillons parfaitement clairs.
VariDur 10 Acrylique 100&#deg;C 80 8 minutes Aucun en particulier Résine semi-transparente à faible odeur, faible retrait, viscosité élevée
VariDur 200 Acrylique 100&#deg;C 85 5-8 minutes Aucun en particulier Résine bleu foncé à faible odeur, faible retrait, viscosité élevée
* Les différences de dureté peuvent sembler négligeables, mais la résistance à l’abrasion a une forte incidence sur l’arrondissement des bords.
Pour l’enrobage à froid, les résines époxy préservent mieux les bords que les résines acryliques, surtout grâce à une meilleure adhérence à l’échantillon et à un retrait plus faible. Les résines acryliques n’adhérant généralement pas à l’échantillon, un interstice se forme parfois entre celui-ci et l’enrobage, sauf dans le cas de VariDur 3003. Or l’apparition d’un interstice de retrait nuit souvent à la préservation des bords. Pour améliorer celle-ci sur les enrobages à froid, on peut effectuer un nickelage chimique sur l’échantillon ou ajouter une charge céramique (Flat Edge Filler) à la résine qui améliore la dureté et minimise le retrait. La conductivité des résines à froid peut en outre être obtenue par l’ajout d’une charge conductrice, laquelle accroît toutefois la viscosité.

Lors de l’enrobage à froid d’échantillons, en particulier en polissage manuel avec des résines époxy, le métallographe constatera que la tension superficielle entre l’enrobage et la surface de polissage est nettement supérieure à celle observée sur un enrobage à chaud, ce qui peut compliquer la préhension de l’enrobage. Cette tension superficielle supérieure peut être à l’origine de « broutage » ou de bruit qui sera éventuellement perçu lors d’un prépolissage en mode automatique. Ce broutage peut être réduit ou supprimé en inversant le sens de rotation pour que la tête et le plateau de la polisseuse tournent en sens opposé.

Alors que les résines acryliques, ainsi que certaines résines époxy, dégagent une chaleur considérable lors de la polymérisation, il est possible d’agir sur ce phénomène par le biais de la technique de moulage conducteurs. Nelson a comparé la chaleur dégagée par deux méthodes de polymérisation d’une résine acrylique : un moule en verre sur une plaque en verre (méthode isolante) et un moule en aluminium sur une plaque en aluminium (méthode conductrice).

La température maximale lors la polymérisation en mode isolant s’élevait à 132°C, pour seulement 42°C avec la méthode conductrice. Notez en passant le faible écart entre 132°C et la température servant à l’enrobage à chaud, à savoir 150°C. Nelson a par ailleurs mesuré la chaleur dégagée par la polymérisation d’une résine époxy dans un anneau phénolique placé sur un support en carton contrecollé, et enregistré un maximum de 7°C seulement, alors qu’il s’agissait d’une méthode isolante – une nette amélioration par rapport aux résines acryliques.

Les études de Nelson portaient sur certaines résines acryliques et époxy moulées dans des conditions particulières. Si la résine époxy utilisée n’a dégagé qu’une faible chaleur lors de la polymérisation, cette observation ne peut être généralisée à toutes les résines époxy. Celles à polymérisation rapide se caractérisent par des températures beaucoup plus élevées, parfois même supérieures à celles produites par les résines acryliques. Outre la rapidité de prise, d’autres facteurs influencent l’importance du dégagement de chaleur lors du durcissement de la résine époxy. Plus l’enrobage en contient une masse élevée, plus la prise sera rapide et la température haute. La chaleur dégagée par les enrobages de très grande taille peut en effet être telle que de nombreuses fissures apparaissent. Chauffer la résine réduit sa viscosité et accélère la polymérisation – tout en produisant davantage de chaleur durant la prise. Le matériau du moule peut également influencer la durée et la température de polymérisation.

Figure 2.5 Example de a - faible netteté du bord du revêtement due à un contraste insuffisant entre le nickelage protecteur et la surface nitrurée en bain de sel (flèche) d'un acier de décolletage au carbone 1215 : et b - contraste et visibillité corrects entre la résine EpoMet et la surface nitrurée (flèche) en plus d'une excellente préservation des bords (1000X, 2 % nital)
Ainsi, la résine EpoxiCure 2 durcit le plus rapidement dans des moules en plastique SamplKup, plus lentement dans des moules annulaires et encore plus lentement dans les moules réutilisables EPDM. Le dégagement de chaleur sera dès lors plus important dans un moule de type SamplKup et le plus faible avec les moules d’enrobage EPDM. Tous ces facteurs doivent être pris en compte pour minimiser la chaleur dégagée.

Préservation des bords

La préservation des bords, un élément décisif de la préparation, fait l’objet de nombreuses « astuces » (la plupart relatives à l’enrobage, certaines au polissage), qui visent à améliorer leur planéité. Les méthodes proposées varient : utilisation de matériau de renfort dans l’enrobage, application préalable de revêtements sur les surfaces ou encore ajout de charges à la résine. La technique généralement considérée comme la plus efficace consiste à appliquer un revêtement métallique compatible sur la surface à protéger (souvent un nickelage chimique). En imagerie, le contraste à l’interface entre l’échantillon et ce type de placage risque toutefois d’être insuffisant pour certaines évaluations.

La Figure 2.5 présente la surface d’une pièce en acier de décolletage 1215 nitruré en bain de sel. L’un des échantillons a subi un nickelage chimique et tous deux ont été enrobés dans de l’EpoMet G. Sur la Figure 2.5a, avec un faible contraste entre le nickel et la surface nitrurée, la limite de la couche nitrurée sur l’échantillon plaqué est difficilement visible. Sur la Figure 2.5b par contre, le problème ne se pose pas pour l’échantillon non plaqué.

Figure 2.6 Taches (fines flèches) dues au ressuage du réactif d'attaque provenant d'un interstice dû au retrait (grosses flèches) entre l'enrobage pnénolique et l'echantillon en acier rapide M2 (500X, réactif de vilella)
Les nouvelles technologies ont largement contribué à réduire les problèmes de préservation des bords. Les interstices qui se forment entre l’échantillon et la résine à chaud provoquent souvent un arrondissement des bords, comme le montre la Figure 2.1. Les taches au niveau de ce type d’interstices peuvent constituer un autre problème, illustré par la Figure 2.6.

Privilégier le polissage semi-automatique et automatique plutôt que la préparation manuelle contribue à améliorer la planéité des surfaces et la netteté des bords. Pour obtenir les meilleurs résultats de polissage, il convient toutefois de positionner le porte-échantillons de façon à ce que, lors de la rotation, son bord extérieur déborde légèrement du support sur le plateau, particulièrement pour les plateaux de 203 mm de diamètre. L’utilisation de supports plus durs, tissés ou non, pour le polissage avec des suspensions diamantées (plutôt que des draps plus doux de type toile, drap de billard et feutre) contribue à préserver la planéité. Un polissage final bref avec des draps à fibres courtes limite considérablement l’arrondissement des bords par rapport aux draps à fibres plus longues et souples.

Ces méthodes permettront de mieux préserver les bords avec toutes les résines d’enrobage thermodurcissables et thermoplastiques. Des différences subsistent toutefois entre les matériaux polymérisés servant à l’enrobage : les résines thermodurcissables assurent une meilleure netteté des bords par rapport aux résines thermoplastiques.

Figure 2.7 Mauvaise préservation des bords (flèches) à la surface nitrurée en bain de sel d'un acier de décolletage au carbone 1215 enrobé dons a - une résine phénolique et dans b - résine méthacryate de méthyle et poli dons le même porte-échantillons que utilisé à la Figure 2.5 (1000X, 2 % nital)
Parmi les résines thermodurcissables, la Diallyl Phtalate apporte certes une amélioration par rapport aux résines phénoliques, nettement moins chères. Cependant, les meilleurs résultats sont obtenus avec EpoMet G ou EpoMet F qui sont des résines époxy thermodurcissables contenant des charges.

À titre de comparaison, la Figure 2.7 montre des micrographies (1000X) d’un échantillon 1215 nitruré enrobé dans une résine phénolique (Figure 2.7a) et dans une résine méthacrylate de méthyle (Figure 2.7b). Alors que ces échantillons ont été préparés dans le même porte-échantillons que celui utilisé à la Figure 2.5, le grossissement 1000X révèle une préservation des bords insuffisante dans les deux cas. La Figure 2.8 montre par contre des exemples de bords parfaitement nets, comme à la Figure 2.5.

Figure 2.8 Excellente netteté des bords pour a - une pastille de carbure fritté à revêtement complese (flèche) (1000X, réactif de Murakami) et pour b - un échantillon en acier nitruré (la flèche, avec à sa gauche une particule incrustée issue du grenaillage, indique une couche blanche de nitrure de fur) à matrices H13 pour travail à chaud (1000X, 2 % nital). Eneobage avec EpoMet dans les deux cas.
Des microbilles d’oxyde d’aluminium ont été ajoutées aux résines époxy d’enrobage à froid pour améliorer la préservation des bords, mais en raison de leur extrême dureté (~2000 HV) et de l’incompatibilité de leurs caractéristiques de polissage avec les métaux doux enrobés, il s’agit plutôt d’une solution de fortune. Une charge céramique tendre (~775 HV) présente par contre des propriétés de polissage compatibles avec les échantillons métalliques enrobés.

La Figure 2.9 montre un exemple de préservation des bords avec la charge céramique pour bords plans (Flat Edge Filler) ajoutée à une résine époxy.

    Les principes généraux ci-dessous visent à optimiser au maximum la préservation des bords. Si chacun influe sur le résultat global, certains ont une influence plus déterminante que d’autres.
  • La netteté des bords est meilleure avec un enrobage adéquat qu’en l’absence d’enrobage : il est en effet difficile, voire impossible d’éviter que des bords non protégés ne s’arrondissent. L’enrobage à chaud permet ici d’obtenir de meilleurs résultats que l’enrobage à froid.
  • Figure 2.9 Flat edge Filler shot was added to EpoxiCure 2 resin to improve the edge retention of this annealed H13 hot work die steel specimen (500X 4% picral).
  • Le nickelage électrolytique ou chimique de la surface à étudier assure des bords francs. Un refroidissement trop rapide de l’enrobage à chaud après la polymérisation risque toutefois de provoquer un retrait du nickelage, laissant un interstice entre celui-ci et l’échantillon anéantissant ainsi l’effet positif de ce procédé sur la préservation des bords.
  • Pour l’enrobage à chaud, les résines thermoplastiques assurent une moins bonne netteté des bords que les résines thermodurcissables. Parmi celles-ci, les meilleurs résultats sont obtenus avec EpoMet G, une résine époxy contenant une charge dure.
  • Évitez tout démoulage à chaud des résines thermodurcissables après la polymérisation et tout refroidissement rapide (notamment à l’eau) pour atteindre la température ambiante : les différences de contraction thermique créeront un interstice entre l’échantillon et l’enrobage. En refroidissant sous pression l’échantillon enrobé pour l’amener à une température proche de la température ambiante, les enrobeuses à chaud entièrement automatiques contribuent largement à réduire la formation d’interstices dus au retrait.
  • Les polisseuses automatiques permettent d’obtenir une meilleure planéité des échantillons que la préparation manuelle.
  • Sur une polisseuse automatique, optez pour le mode pression centrale (défini ci-après), avec lequel vous obtiendrez une meilleure planéité qu’en mode pression individuelle (défini ci-après).
  • Positionnez le porte-échantillons (diamètre plus petit) de façon à ce que, lors de la rotation, sa circonférence extérieure déborde légèrement du plateau (diamètre plus grand).
  • Privilégiez le papier abrasif SiC autocollant (si vous utilisez du carbure de silicium), plutôt que le papier non collant sur le plateau avec un cerclage et optez pour des draps de polissage à fixation magnétique ou autocollants plutôt que pour des draps étirés.
  • Les disques abrasifs diamantés Apex DGD et UltraPrep assurent une excellente planéité des surfaces sur de nombreux matériaux.
  • Optez pour des supports tissés « durs » tels que les draps UltraPad, UltraPol ou TexMet C pour le polissage grossier (jusqu’à l’étape de polissage final), et le drap TriDent pour le polissage fin. En fonction du matériau à préparer, choisissez un drap tissé ou à fibres courtes à moyennes pour l’étape finale et procédez à un polissage bref.
  • Synonymes d’une planéité et d’une préservation des bords remarquables, les disques de prépolissage rigides tels qu’Apex Hercules H et S seront utilisés chaque fois que possible.

Conseils pratiques pour l’enrobage

La résine époxy est la seule à adhérer à l’échantillon. L’imprégnation sous vide permet l’infiltration des porosités et des fissures avec les résines époxy présentant une faible viscosité. Cette méthode est déconseillée avec les résines acryliques en raison de leur polymérisation rapide et de leur viscosité généralement élevée.

Les résines à froid ont une durée de conservation limitée. Il est donc recommandé d’indiquer leur date d’arrivée sur vos récipients.
Pour en savoir plus, consultez les informations sur notre matériel d’enrobage, ainsi que le Guide SumMet de Buehler.