1. Historique et fabrication de l'aluminium
L'aluminium est le métal le plus récemment découvert
puisqu'il n'est utilisé industriellement que depuis la
fin du XIX° siècle.
Pourtant l'alun, sulfate double d'aluminium et de potassium, le
composé d'aluminium le plus anciennement connu, était
déjà décrit par Pline l'ancien et utilisé
à Rome comme mordant pour les couleurs.
Il a fallu attendre 1825 pour que Hans Christian Oersted obtienne
l'aluminium à l'état de corps simple sous forme
d'une poudre grise contenant encore une très grande quantité
d'impuretés. En 1827 Friedrich Wöhler obtint cette
même poudre grise d'aluminium contenant cependant moins
d'impuretés.
Ce n'est qu'en 1854 qu' Henri Sainte-Claire-Deville présente
le premier lingot d'aluminium obtenu à l'état fondu,
par un procédé mis en application en 1859 de façon
industrielle par Henry Merle dans son usine de Salindres (Gard),
berceau de la société Pechiney.
Mais ce procédé était compliqué ce
qui donnait un métal très cher, réservé
à des utilisations dans le luxe et l'orfèvrerie.
En 1886, Paul Louis Toussaint Héroult en France et Charles
Martin Hall aux Etats Unis déposent indépendamment
leurs brevets sur la production d'aluminium par électrolyse
à chaud de l'alumine, oxyde déshydraté de
l'aluminium, dissoute dans de la cryolithe fondue (fluorure double
de sodium et d'aluminium).
L'invention de la dynamo, qui remplaça la pile comme source
d'électricité, et l'utilisation des chutes hydrauliques
: la " houille blanche ", rendit possible la production
économique du métal.
P.L.T. Héroult monte sa première usine en 1887 à
Neuhausen en Suisse, sur une chute du Rhin, berceau de la société
l'Aluminium Suisse. Il monte une usine en 1889 à Froges
(Isère), berceau de l'hydroélectricité française
développée par Aristide Bergès, puis une
autre à La Praz dans la vallée de l'Arc (Savoie).
C.M. Hall monte en 1888 une usine pour la Pittsburgh Reduction
Co qui deviendra en 1907 l'Aluminum Company of America.
L'aluminium est entré dans sa phase industrielle ; sa production a connu en 100 ans une croissance prodigieuse, le mettant au premier rang des métaux non ferreux et au deuxième de tous les métaux derrière le fer, ainsi que l'illustre les chiffres suivants :
L'aluminium est d'abord employé à l'état
pur pour sa légèreté et son inaltérabilité,
mais la mise au point d'alliages d'une plus grande résistance
mécanique va être déterminante.
Conrad Claessen trouve en 1905 la possibilité de durcir
certains alliages par traitement thermique. Alfred Wilm met au
point le " Duralumin " (aluminium de Düren), alliage
d'aluminium et de cuivre, qui durcit par trempe. Aladar Pacz imagine
en 1920 l'alliage aluminium silicium affiné au sodium,
" l'Alpax ".
La fabrication de l'aluminium se décompose en deux étapes :
- extraction de l'alumine de la bauxite,
- fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'alumine.
Les gisements du minerai de départ, la bauxite, sont
très nombreux et importants sur tout le globe terrestre.
Les plus vieux, aujourd'hui épuisés, étaient
dans le sud de la France, en particulier près du village
des Baux en Provence, qui a donné son nom au minerai.
La bauxite est un mélange d'oxyde d'aluminium, l'alumine,
d'oxyde de silicium, la silice, d'oxyde de fer, d'oxyde de titane
et d'eau. Les teneurs de ces différents oxydes sont les
suivantes :
alumine : | |
silice : | |
oxyde de fer : | |
oxyde de titane : | |
eau : |
L'extraction de l'alumine s'effectue par attaque de la bauxite
à température et pression élevées
au moyen d'une solution de soude caustique (procédé
Bayer). Les impuretés insolubles sont séparées
de la solution par décantation et filtration et portent
le nom de " boues rouges " en raison de leur couleur
due à la présence d'oxyde de fer.
De la solution épurée, refroidie et diluée,
on peut tirer l'hydroxyde d'aluminium : Al(OH)3 ; celui-ci est
calciné à 1200°C pour donner l'alumine : Al2O3,
qui se présente sous la forme d'une poudre de couleur blanche.
L'alumine est mélangée à de la cryolithe
et ce mélange est liquide à 1000°C ; l'électrolyse
de l'alumine se fait dans une grande cuve peu profonde, dont le
fond est garni de graphite qui sert de cathode (pôle -).
Les anodes (pôle +) sont faites avec de la pâte de
coke et de brai précuite et plongent dans le bain.
Le passage du courant continu décompose l'alumine : l'aluminium
liquide à 1000°C se dépose à la cathode,
au fond de la cuve, et l'oxygène se dégage aux anodes
en les brûlant ; celles-ci sont donc consommées et
changées régulièrement. L'aluminium est récupéré
par siphonnage dans une poche de coulée.
La tension continue appliquée aux électrodes est
de 4,5 à 6 V ; l'intensité du courant passant dans
la cuve n'a cessé de progresser au fil des ans avec les
améliorations technologiques apportées aux cuves
: la toute première cuve d'Héroult avait 4000 A
; en 1914, les cuves avaient 20.000 A, 100.000 A en 1944, 175.000
A en 1980 et elles atteignent aujourd'hui 300.000 A.
La consommation électrique de l'électrolyse de l'aluminium
est importante, de l'ordre de 13.000 kWh par tonne d'aluminium
produite.
Pour fabriquer 1 tonne d'aluminium, il faut 2 tonnes d'alumine
et 4 tonnes de bauxite.
2. Avantages techniques et économiques
Les emplois de l'aluminium et de ses alliages se sont développés dans des proportions surprenantes pour des raisons techniques et économiques.
Les raisons techniques sont nombreuses :
- l'aluminium est un métal dont la densité est faible, ce qui vaut à ses alliages la dénomination d'alliages légers. L'aluminium est le métal le plus léger après le lithium et le magnésium :
Métal pur | Masse volumique (kg/dm3) |
Lithium | |
Magnésium | |
Aluminium | |
Titane | |
Fer | |
Cuivre | |
Plomb |
L'aluminium est donc 3,3 fois plus " léger "
que le cuivre et 2,9 fois plus léger que le fer ; il "
pèse " grossièrement 3 fois moins que les métaux
industriels usuels.
C'est cette caractéristique qui a valu aux alliages d'aluminium
leur développement dans les moyens de transport et en particulier
dans l'aéronautique.
- l'aluminium conduit bien l'électricité
et la chaleur.
Sa résistivité électrique est de 2,74 10-8
W.m ; convertie en conductivité électrique comparée
à celle du standard cuivre IACS, cela représente
63 %. Les alliages d'aluminium ont une conductivité plus
faible que celle de l'aluminium pur, variant de 30 % à
50 % IACS. A poids égal de cuivre, l'aluminium a une conductivité
électrique 2 fois supérieure, d'où les applications
de l'aluminium dans le transport d'électricité haute
tension sur grande distance.
- l'aluminium n'est pas magnétique.
Sa perméabilité magnétique relative est de
1,004 soit 50 fois plus faible que celle des aciers. Cette qualité
s'ajoute à ses propriétés de conduction électrique
et milite en faveur de son utilisation dans les blindages de câbles,
dans les circuits électroniques et dans la réalisation
de bon nombre d'appareils de mesure.
- l'aluminium a une bonne résistance à
la corrosion.
L'aluminium a une grande affinité pour l'oxygène,
et très vite une couche d'alumine recouvre sa surface ;
cette couche est parfaitement couvrante et protège le métal
sous-jacent. De plus, il est possible d'accroître cette
protection par les traitements d'oxydation anodique (anodisation).
- l'aluminium est un métal robuste.
Si les caractéristiques de l'aluminium pur sont faibles,
comme pratiquement celles de tous les métaux purs, la gamme
d'alliage très étendue permet de trouver celui qui
correspond aux contraintes d'utilisation envisagée.
En effet, les alliages les plus résistants peuvent avoir
une charge de rupture supérieure à 700 MPa, donc
largement équivalente à celles des aciers trempés.
- l'aluminium peut être utilisé dans une
large plage de températures.
Contrairement à d'autres métaux, tel que l'acier,
l'aluminium ne se fragilise pas aux basses températures
et ses caractéristiques mécaniques augmentent même
aux températures des gaz liquéfiés, d'où
son utilisation en cryogénie.
Sa température de fusion est basse : 658°C, nettement
inférieure à celle du cuivre (1083°C) et à
celle du fer (1536°C) ; cela ne lui permet pas de résister
aux très hautes températures. Il existe cependant
des alliages qui résistent bien à des températures
de l'ordre de 200°C souvent atteintes en aéronautique
et en astronautique.
La charge de rupture de l'aluminium de pureté commerciale
en fonction de la température est la suivante :
La comparaison de l'aluminium avec les autres métaux utilisés industriellement montre qu'il est souvent plus intéressant pour des raisons techniques et économiques :
* A poids égal, un fil en aluminium conduit 2,1 fois plus d'électricité qu'un fil en cuivre et 18 fois plus qu'un fil en acier. A conduction électrique égale, le prix d'un conducteur en aluminium est égal à 40 % du prix d'un conducteur en cuivre.
* A poids égal, la résistance mécanique d'un produit en alliage d'aluminium 7075 est 2,3 fois plus forte que celle d'un bronze CuSn6 et 1,5 fois plus forte que celle d'un acier trempé. A résistance mécanique égale, le prix d'un produit en 7075 est égal à 35% de celui d'un produit en bronze CuSn6.
* A poids égal, l'absorption électromagnétique (aptitude au blindage électro-magnétique) d'une tôle en aluminium est 2,6 fois plus forte que celle d'une tôle en cuivre. A absorption électromagnétique égale, le prix d'un blindage en tôle d'aluminium est égal à 30 % de celui d'une tôle en cuivre.
3. Influence des éléments d'alliage
La résistance mécanique de l'aluminium pur est
relativement faible et interdit son emploi pour certaines applications.
Cette résistance mécanique peut être notablement
augmentée par l'addition d'autres métaux, formant
ainsi des alliages. Ceux-ci peuvent être classés
en deux catégories :
- les alliages sans durcissement structural (alliages non trempants),
- les alliages à durcissement structural (alliages trempants).
Cette différence entre alliages est due à l'élément
d'addition principal, quelle que soit sa teneur.
Il n'y a rarement qu'un seul élément ajouté
(élément principal). Des additions d'autres éléments
secondaires vont aussi influer sur les caractéristiques
de l'alliage.
Il y a enfin des éléments présents dans l'alliage
sans qu'ils aient été ajoutés volontairement
; ce sont les impuretés dont les plus importantes sont
le fer et le silicium, et dont il faut contrôler précisément
la teneur pour certaines utilisations car leur influence peut
être défavorable.
Tous les éléments jouent, par leur nature et
leur teneur, sur plusieurs propriétés de l'alliage
comme :
* les caractéristiques mécaniques (charge de rupture
Rm, limite élastique Rp02, l'allongement à la rupture
A%, la dureté HB),
* la masse volumique,
* les conductivités électrique et thermique,
* la résistance à la corrosion,
* l'aptitude au soudage,
* l'usinabilité,
* l'aptitude à la déformation,
* l'aptitude à l'anodisation.
L'aluminium est capable de se " marier " avec grand
nombre d'autres éléments donnant ainsi naissance
à beaucoup d'alliages différents ayant un faisceau
de propriétés très larges et permettant de
satisfaire un grand nombre d'applications.
Les alliages d'aluminium sont classés en sept familles
selon l'élément principal d'addition. Dans chaque
famille, les différents alliages ont des caractères
" génétiques " communs mais ont aussi
chacun leur propre personnalité. Les alliages sont communément
désignés par un numéro à 4 chiffres
dont le premier désigne la famille :
aluminium sans élément d'addition : 1000
aluminium + cuivre : 2000
aluminium + manganèse : 3000
aluminium + silicium (alliages de moulage) : 4000
aluminium + magnésium : 5000
aluminium + magnésium + silicium : 6000
aluminium + zinc + magnésium : 7000
Le tableau suivant donne les désignations des principaux alliages des 6 familles d'alliages de corroyage (à l'exception de la famille 4000), et compare les désignations françaises et étrangères.
CEN | |||||||
ISO : International Standard Organization (Normes mondiales)
CEN : Comité Européen de Normalisation (Normes européennes)
Désignations entre parenthèses = alliage similaire
à l'alliage français mais non totalement identique.
4. Influence des conditions de fabrication - Etats métallurgiques
Il est possible d'augmenter la résistance mécanique de l'aluminium et de tous ses alliages par déformation à froid appelée écrouissage. Cette déformation diminue simultanément l'aptitude des alliages à la déformation à froid ( qu'il est possible de lui faire recouvrer par un traitement thermique de recuit qui confère au métal sa résistance mécanique minimum ).
L'écrouissage a des effets sur plusieurs propriétés
de l'alliage :
- la charge de rupture, la limite élastique et la dureté
augmentent, alors que l'allongement à la rupture et la
capacité de déformation à froid diminuent,
- la conductivité électrique diminue,
- la résistance à la corrosion diminue.
Le traitement thermique de recuit a les effets inverses.
L'écrouissage est la seule façon de durcir les alliages sans durcissement structural (alliages non trempants).Ces alliages appartiennent aux 3 familles suivantes :
1000 aluminiums sans éléments d'addition
3000 aluminium + manganèse
5000 aluminium + magnésium
Les autres familles peuvent être durcies en plus par traitements
thermiques de durcissement structural.
Entre l'état recuit et l'état le plus dur normalement
produit, il est défini plusieurs états intermédiaires
; ces états, dont les niveaux de dureté atteints
sont croissants peuvent être obtenus de deux façons
: soit en partant d'un alliage complètement recuit et en
l'écrouissant partiellement, soit en partant d'un alliage
complètement écroui et en le recuisant partiellement
(états partiellement recuits ou restaurés) ; l'écrouissage
introduisant des contraintes internes au métal, il est
nécessaire pour certaines applications de les supprimer
par un traitement de stabilisation qui ne modifie que très
peu les caractéristiques mécaniques de l'alliage.
Le tableau ci-dessous donne les désignations normalisées
des états écrouis :
H13 | |||
H15 | |||
H17 | |||
Il existe de plus d'autres états écrouis :
H111 : recuit et légèrement écroui
(moins que H11) par exemple par traction ou planage,
H116 : s'applique aux alliages 5000 dont la teneur en magnésium
est supérieure à 4 % et pour lesquels des limites
de caractéristiques mécaniques et une résistance
à la corrosion exfoliante sont spécifiées.
Les alliages des familles 2000, 6000 et 7000 peuvent être
durcis par traitement thermique de mise en solution et trempe,
suivi d'un durcissement structural qui s'effectue :
- soit à la température ambiante (maturation ou
vieillissement naturel),
- soit par chauffage (revenu ou maturation accélérée
ou vieillissement artificiel).
C'est par ces traitements qu'ils atteignent leurs caractéristiques
maximales ; de plus, il est possible de combiner durcissement
par écrouissage et durcissement par traitement thermique
de mise en solution, trempe et maturation ou revenu.
La mise en solution, traitement thermique à haute température
peut être faite dans un four mais pour certains alliages,
en particulier ceux de la famille 6000, elle peut être faite
au cours d'une opération de déformation à
chaud.
Le tableau ci-dessous donne la désignation normalisée des états ainsi obtenus valables en France et en Europe:
Trempe + maturation | ||
Trempe + écrouissage + maturation | ||
Trempe + revenu | ||
Trempe + sous-revenu | ||
Trempe + sur-revenu | ||
Trempe + sur-revenu désensibilisant à la corrosion sous contrainte | ||
Trempe + sur-revenu désensibilisant à la corrosion exfoliante | ||
Trempe + écrouissage + revenu | ||
Trempe + revenu + écrouissage |
T51, T56 : état normalisé uniquement
dans la norme européenne NF EN 515 (Octobre 1993).
T10 : état normalisé uniquement dans la norme
française NF A 02-006 (Novembre 1985) qui est annulée
et remplacée par la norme européenne.
La trempe qui suit le traitement thermique de mise en solution introduit dans beaucoup de produit des contraintes internes qui les déforment, et qui peuvent nuire à certaines applications ; les produits sont alors détensionnés par traction, par compression ou par ces deux opérations combinées ; la désignation des états correspondants est obtenue en ajoutant derrière les chiffres, qui suivent la lettre T, donnés dans le tableau ci-dessus, les chiffres suivants :
Txx51 ou Txx510 : détensionnement par traction sans
aucun dressage complémentaire
après la traction.
Txx511 : détensionnement par traction suivi d'un dressage.
Txx52 : détensionnement par compression.
Txx54 : détensionnement par traction et compression combinées.
5. Caractéristiques typiques des alliages et des états de livraison
Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques de la composition et d'un certain nombre de propriétés physiques des alliages usuellement utilisés.
0,20 | 0,15 | ||||||||||
0,50 | 4,0 | 0,7 | 0,7 | ||||||||
4,3 | 0,6 | 1,5 | |||||||||
3,9 | 0,6 | 0,9 | 1,1 | ||||||||
0,7 | 4,4 | 0,15 | |||||||||
0,4 | 4,0 | 0,15 | |||||||||
0,3 | 3,1 | 0,3 | |||||||||
0,20 | 0,45 | 0,48 | |||||||||
1,00 | 0,7 | 0,9 | |||||||||
1,6 | 2,5 | 0,23 | 5,6 |
Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques des caractéristiques mécaniques, des propriétés de mise en oeuvre et des applications types de ces alliages.
| ||||||||||
Rm MPa | Rp02 MPa | A% | ||||||||
Bâtiment, Cuisine | ||||||||||
Méca.Géné | ||||||||||
Aéro. | ||||||||||
Décolletage | ||||||||||
23 | Chimie,cryo transport | |||||||||
Chimie, cryo C. navale | ||||||||||
H22 | ||||||||||
Chaudron., marine | ||||||||||
Bâtiment | ||||||||||
Transport | ||||||||||
Aéro |
A : très bon - B : bon - C : moyen - D : mauvais, à déconseiller
6. Classement des alliages suivant leur utilisation
Usinage décolletage - Soudage - Utilisations structurales - Contraintes mécaniques élevées
- Résistance à la corrosion - Composition - Etats métallurgiques - Oxydation anodique
- Conducteur électrique - Résistance à hautes et basses températures - Exemples d' utilisation
Usinage - Décolletage
L'aluminium et ses alliages s'usinent avec facilité à condition de prendre quelques précautions aux grandes vitesses de coupe et d'utiliser des outils adaptés. Les alliages d'aluminium s'usinent mieux que l'aluminium pur ; c'est en particulier le cas des alliages à durcissement structural. D'une manière générale, les alliages à hautes caractéristiques mécaniques, et donc à capacité de déformation à froid faible, s'usinent bien.
Les alliages - états les plus adaptés à
l'usinage sont les suivants :
2017A T4, 2024 T3 ,2618A T851
5083 H111
6082 T6
7075 T651
Les alliages spécifiques pour le décolletage
contiennent du plomb ou du plomb et du bismuth ( éléments
qui favorisent grandement la fragmentation du copeau ) sont les
suivants :
2011 T3, 2030 T3
6262 T9
Soudage
Si de façon générale tous les alliages d'aluminium sont soudables, ils ne se comportent pas tous de manière identique ; il faut distinguer trois classes d'alliages :
* les alliages sans durcissement structural (familles 1000,
3000 et 5000)
Ils ont une bonne soudabilité ; lorsqu'ils sont utilisés
à l'état recuit, ils ne subissent pas de perte sensible
de caractéristiques mécaniques au niveau de la soudure.
Par contre lorsqu'ils sont à l'état écroui,
le durcissement dû à l'écrouissage disparaît
au voisinage de la soudure.
Les alliages - états typiques sont les : 1050A O ,3003
O ,5083 H111, 5086 O ; l'addition de chrome dans ces deux derniers
alliages améliore encore leur soudabilité.
* les alliages à durcissement structural exempts de
cuivre ( famille 6000 et certains alliages de la famille 7000
).
Le cycle thermique de soudage affecte les caractéristiques
mécaniques du métal de base qui est généralement
à l'état trempé-revenu ; cette perte est
définitive pour les alliages de la famille 6000 sauf s'il
est possible d'effectuer un nouveau traitement de revenu sur la
structure soudée ; les alliages de la famille 7000 retrouvent
une partie notable de leurs caractéristiques initiales
par maturation à la température ordinaire.
Les alliages - états typiques sont les : 6060 T5, 6082 T6 ,7020 T5.
* les alliages à durcissement structural contenant du
cuivre (famille 2000 et certains alliages de la famille 7000)
Ces alliages sont dans l'ensemble difficilement soudables parce
que, d'une part, ils sont sujets aux criques lors de la solidification
de la soudure, et que, d'autre part, leurs caractéristiques
mécaniques après soudage sont fortement diminuées.
Toutefois ces alliages sont plus ou moins sensibles à ces
phénomènes : le 2618A T851 est peu sensible aux
criques. L'utilisation du procédé TIG à grande
concentration d'énergie et à protection gazeuse
accrue permet une amélioration notable des résultats.
Utilisations structurales
Les alliages d'aluminium sont très utilisés pour
des applications structurales faisant concurrence aux aciers.
Le module élastique des alliages d'aluminium, de l'ordre
du tiers de celui des aciers, conduit, pour éviter des
fléchissements trop importants, à augmenter les
épaisseurs des sections par rapport à celles des
aciers ; de ce fait, l'allégement résultant du remplacement
de l'acier par un alliage d'aluminium n'est pas dans le rapport
des densités mais est compris entre 40 % et 60 %. Cependant,
la possibilité d'obtenir avec les alliages d'aluminium
des profils complexes permet de compenser le faible module élastique
du métal par une forme des profils qui conduit à
un moment d'inertie élevé.
Les alliages - états les plus utilisés sont les
:
5083 H22, 5086 H24 ,5754 H24
6005A T5 ,6061 T6, 6082 T6
7020 T5
Contraintes mécaniques élevées
Lorsque les constructions sont soumises à des contraintes
importantes, l'emploi des alliages ci-dessus conduirait à
des épaisseurs ou à des sections incompatibles avec
l'allégement recherché. Il est nécessaire
alors d'utiliser des alliages à très hautes caractéristiques
mécaniques ; ces alliages ont en contrepartie une faible
résistance à la corrosion, une faible capacité
de déformation à froid et des difficultés
à être soudés ce qui limite leur emploi à
des applications bien particulières.
Les alliages - états utilisés sont les :
2014 T6 ,2017A T4 ,2024 T3
7075 T6
Résistance à la corrosion
Les alliages d'aluminium sont réputés comme résistants relativement bien à la corrosion. Cependant, dans certaines conditions d'exposition, ils peuvent subir un endommagement. Celui-ci peut se manifester sous différentes formes qui dépendent de la composition de l'alliage et de son état métallurgique.
Composition
* Plus la teneur en impuretés fer et silicium est faible,
plus l'aluminium et ses alliages résistent à la
corrosion.
* Les alliages de la famille 3000 résistent aussi bien
à la corrosion que l'aluminium de pureté commerciale.
* Les alliages contenant du cuivre (famille 2000 et certains alliages
de la famille 7000) résistent mal à la corrosion.
* Les alliages de la famille 5000 résistent bien à
la corrosion si la teneur en magnésium ne dépasse
pas 4 %. Au delà de cette teneur, il est nécessaire
de traiter thermiquement le métal (état H116).
* Les alliages de la famille 6000 ont un bon comportement et ceci
d'autant plus qu'ils ont une très bonne aptitude à
l'anodisation qui forme une couche d'alumine épaisse et
protectrice.
* Les alliages de la famille 7000 sans cuivre résistent
bien à la corrosion. Certains alliages à basse teneur
en zinc sont utilisés comme placage de protection des tôles
en alliage 7000 au cuivre destinées à l'aéronautique.
Etat métallurgique
* Les états écrouis résistent globalement
moins bien que les états recuits.
* Les états trempés revenus (T5 et T6), qui confèrent
à l'alliage ses caractéristiques maximales, résistent
moins bien que les états sur-revenus (T7).
Le milieu en contact duquel est placé l'alliage d'aluminium
a aussi son importance. Si le pH de ce milieu est compris entre
4 et 9, la couche d'alumine n'est pas dissoute et le métal
résiste bien.
Dans des milieux acides (pH<4), les comportements sont très
variables. L'aluminium par exemple résiste bien à
l'acide acétique et à l'acide nitrique concentré
et froid.
Dans les milieux alcalins (pH>9), l'aluminium est généralement
vigoureusement attaqué. Il résiste cependant bien
à l'ammoniac et à de nombreuses bases organiques.
Lorsque l'aluminium est en contact avec des matériaux comme le graphite, l'acier doux ou un alliage cuivreux, dans un milieu très conducteur d'électricité comme l'eau de mer, il subit une attaque importante qui peut aller jusqu'à sa destruction complète.
Oxydation anodique
L'oxydation anodique ou anodisation permet d'édifier
une couche d'oxyde beaucoup plus épaisse que la pellicule
d'alumine naturelle ; cette couche confère ainsi au métal
:
- une bonne protection contre la corrosion,
- une amélioration de l'aspect de surface, qui va durer
dans le temps ; de plus la couche anodique peut être colorée,
- une modification de plusieurs propriétés de la
surface comme par exemple : isolation électrique, pouvoir
réflecteur, dureté superficielle, coefficient de
frottement.
Les alliages d'aluminium ne se prêtent pas de façon
identique au traitement d'anodisation. Les alliages les plus aptes
appartiennent aux familles 1000, 5000 et 6000. Les alliages contenant
du cuivre sont plus difficilement anodisables.
Famille 1000 : la couche est d'autant plus transparente
que les teneurs en fer et silicium sont faibles.
Famille 2000 : la couche a une épaisseur limitée
et est poreuse ce qui diminue son pouvoir protecteur.
Famille 3000 : la couche a une teinte plus ou moins grise.
Famille 5000 : la couche est grisâtre et dépend
des autres éléments d'addition (chrome et manganèse).
Famille 6000 : le procédé d'anodisation est
largement utilisé dans la menuiserie métallique.
Famille 7000 : les conditions d'anodisation doivent être
ajustées à la composition et au type de protection
recherchée.
Conducteurs électriques
La conductivité des alliages d'aluminium varie de 63%
pour l'aluminium pur à moins de 30% pour certains alliages
des familles 2000, 5000 et 7000.
Les conducteurs électriques sont fabriqués avec
des alliages de deux familles :
1000 lorsque la résistance mécanique de l'aluminium
est suffisante,
6000 lorsque le conducteur doit avoir une résistance mécanique
supérieure.
Résistance à haute et basse température
L'alliage dont la résistance mécanique ne diminue pratiquement pas jusqu'à une température de 150°C est le 2618A :
Température | 20°C | 150°C | 200°C |
Charge de rupture | 440 MPa | 390 MPa | 320 MPa |
Pour les basses températures, atteintes dans des applications cryogéniques comme le stockage et le transport des gaz liquéfiés, on utilise le 5086 dont la charge de rupture augmente à basse température :
Température | 20°C | 80°C | 195°C |
Charge de rupture | 278 MPa | 295 MPa | 390 MPa |
Exemples d'utilisations et principaux alliages utilisés :
Mécanique générale
Pièces de machines diverses : 2017A
Visserie, boulonnerie, rivets (rivets Pop) : 7075, 5754
Moules pour la plasturgie : 7075
Semelles d'outillage de découpe : 7075
Baguettes de soudure : 2219, 4043
Aéronautique et armement
Munitions, tourelles de char, blindages : 2024, 7020, 7049
Structures d'avions, tôles de fuselage : 2024, 2014,
7075, 2618A
Chimie, produits alimentaires
Ustensiles de cuisine ( casseroles, poêles ) : 3003,
4006
Capsules, boîtes de conserve, emballages, aérosols
: 3105, 1050A
Cuves d'acide nitrique, échangeurs : 1200, 3003
Tubes d'irrigation : 3003
Electricité
Câbles haute tension : 1370
Méplats conducteurs : 6101
Ossature d'armoires électriques : 6060
Culots de lampes, Pylônes : 6106
Transport
Ridelles, bennes, citernes : 5086
Voitures de chemin de fer : 6005A
Caravanes, habillage de camions et d'autocars : 3003
Echangeurs, radiateurs, cryogénie : 1200, 3003, 5086
Panneaux de signalisation : 6060
Sport
Cannes de ski, inserts dans les semelles de ski : 7020, 7075
Mousquetons d'alpinisme : 7075, 7010
Articles de camping : 1050A, 3003
Meubles de jardin : 3003
7. Forme des produits - Définitions
7.1 Produits longs
Ils sont obtenus par filage ou filage plus étirage ou
tréfilage.
Barres : produits livrés en longueur droite dont
la section est identique sur toute la longueur et qui a une forme
ronde, carrée ou hexagonale (appelée 6 pans).
Fils : produits de section ronde et de très grande longueur livrées enroulées en couronnes.
Tubes : produits creux livrés en longueur droite dont l'épaisseur est constante tout autour de la section ; celle-ci peut avoir une forme ronde ou carrée.
Méplats : produits livrés en longueur droite de section rectangulaire dont le rapport largeur sur épaisseur ne dépasse pas 10.
Profils : produits livrés en longueur droite dont la section peut avoir une forme simple, en L, appelés aussi cornière, en U, en T, ou une forme plus compliquée dont la description complète nécessite un plan coté. Ils sont souvent classés par leur poids au mètre.
7.2 Produits plats
Ils sont obtenus par laminage ; leur section est rectangulaire et le rapport largeur sur épaisseur est supérieur à 10.
Tôles : produits laminés livrés
à plat ; leur longueur est donc une dimension de livraison.
On distingue les tôles minces, dont l'épaisseur est
comprise entre 0,2 et 1 mm, les tôles moyennes, dont l'épaisseur
est comprise entre 1 et 20 mm et les tôle fortes, dont l'épaisseur
est supérieure à 20 mm.
Elles peuvent être livrées nues ou revêtues
d'un film de protection adhésif ; elles peuvent être
plaquées c'est à dire colaminées avec une
tôle de faible épaisseur dans un alliage résistant
bien à la corrosion ; elles peuvent être gravées
(tôles plancher).
Bandes : ce sont les mêmes produits que les tôles minces et moyennes de faible épaisseur, livrés enroulés en rouleaux.
8. Technologies de mise en oeuvre
8.1 Usinage
L'aluminium et ses alliages possèdent une bonne aptitude
au travail par outils coupants, mais il y a lieu de tenir compte
d'un certain nombre de particularités propres à
ces matériaux.
- Les alliages légers ont une faible densité qui
diminue les effets d'inertie et permet des vitesses de rotation
et de translation élevées.
- La conductivité thermique élevée favorise
le refroidissement, la chaleur étant évacuée
presque totalement par les copeaux.
- Le faible module d'élasticité peut entraîner
des déformations en cas de porte à faux.
- Les alliages contenant plus de 1 % de silicium ( famille 4000,
2014A, 6081, 6181, 6082, 6351A ) usent plus rapidement les outils
ce qui oblige à réduire la vitesse de coupe.
Pour tenir compte de ces particularités il est judicieux
d'utiliser :
- des machines puissantes, de 150 à 250 Wh/dm3 de copeaux
et rapides car les vitesses de travail sont de 5 à 10 fois
supérieures à celles convenant aux aciers.
- les outils ont des angles de coupe de 15° pour les alliages
durs, 20° à 30° pour les alliages à faible
dureté ; les dépouilles varient de 8° à
12°.
- la profondeur de passe peut être importante, jusqu'à
5 mm, mais le faible module d'élasticité interdit
de grandes avances qui doivent être limitées à
0,2 mm/tour.
- pour la lubrification, l'huile soluble est conseillée
pour les opérations d'ébauchage au tour et à
la fraiseuse ; l'huile de coupe est préférable pour
les opérations de finition, de taraudage et de sciage à
la scie circulaire.
- les vitesses dépendent des alliages et des outils de
coupe utilisés ; le tableau ci-après donne des vitesses
indicatives de tournage en m/min :
8.2 Traitements de surface
Plusieurs objectifs sont dévolus aux traitements de surface :
* préparer la surface pour un assemblage ou un traitement
de surface ultérieur,
* améliorer l'aspect et le rendre durable,
* protéger la surface contre la corrosion.
Traitements laissant la surface nue :
- traitements mécaniques
* polissage : bufflage à l'émeri, tamponnage
à la pâte à polir, avivage à la pâte
à aviver.
* satinage mécanique ou brossage pour obtenir un aspect
mat.
* sablage, grenaillage pour recouvrement métallique ou
peinture ; le grenaillage améliore la résistance
à la fatigue de la pièce.
- traitements chimiques
* dégraissage en solvants, en vapeur de solvants ou
en bain acide.
* décapage en bain de soude (3 à 10 % dans de l'eau
à 40-70°C) suivi d'une neutralisation en bain d'acide
nitrique (tous alliages sauf famille 2000) ou d'acide sulfochromique
(famille 2000) et rinçage.
* brillantage en bain phosphorique-nitrique.
Traitements avec revêtement protecteur :
- conversion chimique : procédé MBV, procédé Alodine.
- anodisation : ce procédé consiste à former à la surface du métal une couche d'alumine par électrolyse dans un bain acide. Cette couche de quelques dizaines de microns est poreuse, présentant des pores perpendiculaires à la surface qu'il faut refermer pour que la couche soit vraiment protectrice ; ceci se fait par colmatage en trempant la pièce dans de l'eau bouillante ; on peut préalablement introduire dans les pores des pigments qui vont donner la teinte voulue à la surface après colmatage.
- revêtements métalliques : zingage, cuivrage, nickelage, chromage, étamage.
- peintures, laques, vernis, émaux.
8.3 Traitements thermiques
Le tableau ci-dessous donne les plages de températures
à utiliser selon les familles d'alliages pour les différents
types de traitement thermique.
La précision des températures atteintes pour les
traitements de mise en solution et de revenu est importante :
elle doit être au plus de ± 5°C.
7000 |
8.4 Procédés d'assemblage
Soudage
L'aluminium se recouvre spontanément à l'air d'une
pellicule protectrice continue d'oxyde dont le point de fusion
est très élevé (2020°C). Très
stable, cette couche d'alumine est un obstacle qu'il convient
d'éliminer au moment du soudage.
Le soudage oxyacétylénique est utilisé généralement
pour des épaisseurs jusqu'à 3 mm. Il nécessite
l'emploi d'un produit chimique décapant, le flux de soudage,
pour éliminer la couche d'alumine ; le flux est porté
par la baguette d'apport et doit fondre à une température
légèrement inférieure à celle de la
baguette ; il doit être éliminé après
soudage car il entraîne une corrosion de l'aluminium.
Le soudage à l'arc sous gaz inerte a l'avantage de ne pas
nécessiter l'emploi de flux de soudage. Le procédé
TIG (Tungsten Inert Gas) utilise une électrode réfractaire
en tungstène thorié ; le soudage est fait généralement
en courant alternatif sous argon. Le procédé MIG
(Metal Inert Gas) utilise le métal d'apport comme électrode
; il est pratiqué en courant continu en polarité
inverse (pôle négatif à la pièce) sous
argon, ce qui permet une bonne élimination de la pellicule
d'oxyde.
Les alliages d'aluminium peuvent aussi être soudés
électriquement par point ou à la molette, par bombardement
électronique qui permet de souder en une passe des épaisseurs
atteignant 150 mm, par frottement et pression, par induction haute
fréquence ou par ultrasons.
Brasage
Dans le cas du brasage fort, le métal d'apport est un alliage
d'aluminium dont la température de fusion est supérieure
à 450°C et inférieure à celle des pièces
à assembler. Les familles d'alliages brasables sont : 1000,
3000, 5000 dont la teneur en magnésium est inférieure
à 3 %, 6000 et 7000 exempts de cuivre.
Dans le cas du brasage tendre, le métal d'apport a une
température de fusion inférieure à 450°C
; ce sont des alliages d'étain (température de fusion
entre 180°C et 260°C), des alliages de zinc (température
de fusion entre 350°C et 420°C), ou des alliages de cadmium
(température de fusion entre 280°C et 320°C).
Dans tous les cas il est nécessaire d'utiliser un flux
de décapage avant brasage qu'il faut éliminer après
brasage.
Rivetage
Cette vieille technique est utilisée dans le cas d'assemblage
sollicités mécaniquement, les efforts étant
exercés dans le plan de joint des tôles ou des pièces.
Les alliages utilisés pour les rivets doivent être
des alliages d'aluminium, compatibles avec les alliages des pièces
à assembler pour éviter les risques de corrosion
galvanique.
Les rivets sont généralement fabriqués dans
les alliages 1050A et 3003 recuits ou écrouis, 5754 et
5086 recuits, 6061 et 6181 trempés et 2017A posés
sur trempe fraîche.
9. Précautions d'emploi
Les produits en aluminium ont une surface fragile. Ils sont
sensibles aux coups et aux rayures. De plus, les produits ne sont
pas parfaitement rigides et peuvent être déformés.
Il est indispensable de les manipuler et de les stocker en prenant
un certain nombre de précautions :
- éviter tous les chocs avec des pièces métalliques,
- ne pas stocker les produits directement sur d'autres produits,
- éviter les frottements entre produits,
- si le stockage vertical n'est pas possible, il faut stocker
les produits horizontalement avec suffisamment de supports pour
que les produits ne se déforment pas.
Les produits en aluminium, même s'ils sont protégés
par leur pellicule d'alumine, sont sensibles à la corrosion
:
- les produits qui ont été mouillés doivent
être parfaitement séchés avant stockage,
- il faut éviter tout phénomène de condensation
; celle-ci arrive lorsque des produits viennent de l'extérieur
où il fait froid et qu'on les stocke dans un hall chauffé.
Il faut déballer les produits et les laisser se réchauffer
doucement dans un endroit aéré,
- la pellicule d'alumine naturelle a une épaisseur de l'ordre
de 100 Å (10-5 mm) ; elle est attaquée par les acides
forts, acide chlorhydrique, sulfurique ou nitrique, et par les
bases comme la soude caustique.
Dans le cas de contact avec d'autres métaux en présence
d'un liquide conducteur qui sert d'électrolyte, c'est le
plus souvent l'aluminium qui est attaqué ; c'est le cas
lorsque l'alliage d'aluminium est en contact avec le cuivre et
les alliages cuivreux comme les laitons, le nickel, les aciers
inoxydables non passivés, le fer, les aciers ...