8. METAUX ET ALLIAGES NON FERREUX8.1. L'aluminium et ses alliages L'aluminium est un lment du IIIme groupe de la classification de Mendelev, dont le nombre atomique est 13 et la masse atomique 26,98 (environ 27). L'aluminium possde un rseau cubique faces centres quidistance : a = 4,0412 , sa caractristique la plus importante est la faible densit 2,7 g/cm3 (celle du fer 7,8 g/cm3 et celle du cuivre 9 g/cm3). L'aluminium reprsente environ 7,5 % en masse dans lcorce terrestre. L'aluminium et ses alliages prennent encore aujourd'hui une place importante dans les diffrents domaines de lindustrie. Son utilisation saccrot de jour en jour grce ses proprits particulires qu'il prsente : - Lgret et bonne rsistance, ce qui facilite son utilisation dans la construction mcanique. - Bonne conductivit de chaleur et dlectricit. - Bonne tenue la corrosion grce la formation en surface dune pellicule trs fine, 0,7 m, et trs rsistante de Al2O3, (plus l'aluminium est pur plus sa tenue la corrosion est leve). L'aluminium, en contact avec loxygne de lair, forme trs vite une couche doxyde Al2O3 qui protge le mtal contre les attaques chimiques. Cette pellicule est non soluble dans leau, donc laluminium est trs rsistant contre linfluence atmosphrique et il est trs utilis surtout dans lindustrie chimique et alimentaire. - Possibilit facile de dformation et de soudage. 8.2. Elaboration de laluminium Le minerai utilis pour llaboration de l'aluminium est la bauxite, cest un oxyde daluminium contenant des impurets tels que la silice, loxyde de fer et loxyde de titane. Le constituant essentiel est laluminium hydrat sous diffrentes formes : Al2O3.H2O et Al2O3.3H2O. Les deux types de bauxites sont : Les bauxites rouges dont la teneur en oxyde de fer est relativement leve. Les bauxites blanches, qui contiennent peu de fer, mais beaucoup de silice.

Le plus souvent, on utilise les bauxites rouges pour llaboration de laluminium en raison de leur faible teneur en silice (< 5%). La composition chimique moyenne dune bauxite rouge est la suivante : Al2O3 : 53 % SiO2 : 4 % H2O : 13 % Fe2O3: 25 % Ti O2 : 3 %

Les bauxites blanches servent la fabrication de ciment, dabrasif et de produits rfractaires. La bauxite se prpare le plus souvent selon le procd BAYER et selon les tapes suivantes :

a. Concassage de la bauxite : La bauxite est concasse et ventuellement broye aprs schage. b. Attaque de la bauxite par la soude (Na OH) concentre : L'opration seffectue dans des autoclaves une temprature T = 170C et une pression de 7 atmosphres. La bauxite est dissoute sous forme daluminate de sodium. Le fer ne se dissout pas, tandis que lacide silicique passe dans les silicates de Na et Al : Na OH + Al (OH)3 Na A1O2 + 2H2O Ce qui entrane une perte en Al et NaOH. Lopration se fait gnralement en marche continue par passage travers une srie dautoclaves pour une dure de 6 8 heures. La lessive obtenue contient en plus de la soude concentre, 270g de Al2O3 par litre. c. Sparation de laluminate de sodium et prcipitation de lalumine : La lessive est extraite des autoclaves pour tre dilue afin dobtenir une bonne concentration du reste de la solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur claire dans laquelle laluminium est dissous, elle est en voue ensuite aux rservoirs de prcipitation o s'effectue a 60C, lopration inverse de la raction de dissolution : Na AlO2 + 2H2O Al (OH)3 Na OH La cristallisation de AI (OH)3 pur, seffectue trs lentement. En cinq jours, il y a dpt denviron 60 % de 1alumine contenue dans laluminate. Pour acclrer le processus de dpt, on ajoute la liqueur claire, de 1hydroxyde daluminium solide (moyens de gnration). A la fin, Al (OH)3 cristallis, est aspir et filtr de la lessive et sch, ensuite achemin vers les fours rotatifs. Le rsidu de filtration subit lopration de concentration par vaporation avant dtre utilis comme soude concentre. d. Calcination de lalumine : Laluminium hydrat, aprs schage, subit une calcination dans les fours rotatifs une temprature de 1200C, on obtient de lalumine avec une teneur en Al2O3 de 99,2 99,5 %. e. Electrolyse de lalumine : Du fait de la grande affinit de laluminium pour loxygne, laluminium ne peut tre rduit par les rducteurs habituels (C ou Co) et lon a recours llectrolyse. La dcomposition lectrolytique de lalumine, seffectue dans un bain de cryolite Na3AIF6, une temprature de 920 950C. La cryolite pure, se fond 1000C, alors que lalumine fond 2000C. Durant llectrolyse, la cryolite dissout de lalumine, cet effet on ajoute du Al2F3 pour la neutralisation des lments alcalins accompagnant lalumine, ainsi que pour avoir un lectrolyte caractre acide faible et enfin pour diminuer la temprature de fusion de llectrolyte.

Lune des exigences envers la composition chimique de lalumine est surtout la teneur de Fe2O3, qui doit tre infrieur 0,04 % et celle de SiO2 < 0,3 %, car ces deux composs sont plus nobles que laluminium et peuvent tre spars avec laluminium durant llectrolyse. Ce qui diminue la puret de lalumine est llectrolyse proprement dite, effectue dans un four, (fig. 144), avec une masse en carbone jouant le rle de cathode et fermant le fond du four la partie suprieure, o sont places les anodes (anodes prcuites ou anodes continues).

(fig. 144) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Tle d'acier. Brique refroidie. Masse de carbone. Aluminium liquide. Electrolyte. Anodes. Alimentation lectrique.

la tension de travail est de 4,5 volts et lamprage est de 30.000 100.000 Ampres. Laluminium saccumule sur le fond du four et forme pratiquement la cathode et de temps en temps, il est recueilli et coul en lingots ou dans des mlangeurs. Pour llaboration dune tonne daluminium, on a besoin de : - 2000 kg dalumine. - 30 kg de cryolite. - 30 kg de fluoride dalumine. - 550 kg danode en carbone. - 15 20 MWH de charge lectrique. Laluminium obtenu a une puret de 99,2 99,9 % et les impurets essentielles sont : Fe et Si et en faible quantit, Cu, Mg, Ti, Na. Pour l'laboration de l'aluminium pur a 99,99 %, il est ncessaire de procder une deuxime lectrolyse. Laluminium pur, possde une rsistance chimique trs leve. Les alliages daluminium grande rsistance sont plaqus par de laluminium pur, afin de combiner la bonne rsistance la corrosion avec la rsistance de l'alliage.

L'aluminium pur, peut avoir un clat grce aux diffrents procds de trempage. L'oxydation anodique est le traitement superficiel le plus important pour l'aluminium. Il s'agit du renforcement du film doxyde naturel par la voie lectrolytique, donc laugmentation de laction de protection contre la corrosion et lamlioration de la duret et du comportement contre lusure. Dans le tableau ci-dessous est indiqu la composition chimique de laluminium pur selon TGL Type Total 0,01 0,05 0,10 0,20 0,30 0,50 0,60 1,00 0,50 Fe 0,005 0,025 0,05 0,12 0,16 0,40 0,50 0,60 0,40 Quantit en % Si Cu Zn 0,005 0,003 0,005 0,020 0,015 0,005 0,04 0,03 0,005 0,10 0,01 0,04 0,10 0,01 0,05 0,16 0,02 0,06 0,30 0,02 0,07 0,40 0,02 0,08 0,10 0,02 0,040 Ti 0,002 0,005 0,01 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 * Autres 0,001 0,005 0,001 0,01 0,01 0,01 0,03 0,04 0,01

Al 99,99 R Al 99,95 R Al 99,9 R Al 99,8 Al 99,7 Al 99,5 Al 99,4 Al 99,0 E-Al Remarques : * Ti + Mn + Cr + V 0,03 Mn, V, Cr 0,010

8.3. Caractristiques de laluminium 8.3.1. Caractristiques physiques Temprature de fusion : 660C. Point dbullition : 2060C. Chaleur spcifique : A 20C : 0,214 cal/gC A 100C : 0,223 cal/gC A 500C : 0,266 cal/gC Conductibilit thermique : (cest un excellent conducteur de chaleur) A 0C : 0,50 cal/cm.sC. A 100C : 0,51 cal/cm.sC. A 200C : 0,52 cal/cm.sC. Rsistivit ltat pur 2,63.10-8 .m. Allongement linaire : 20 100C : 24. 10-6 /C et jusqu 600C : 28,5. 10-6 /C. Densit ( 20C) : 2,7 g/cm3. Conductibilit lectrique : (65% de celle du cuivre pour laluminium pur 99,5 %). La conductibilit lectrique de laluminium diminue lorsque les impurets augmentent.

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Laluminium, grce sa rsistivit, est surtout utilis pour la fabrication de chaudire et dustensiles de cuisine. Lorsquil est poli, c'est un mtal blanc et brillant et possde un grand pouvoir de rflexion, on lutilise comme rflecteur pour chauffage et clairage ou surface rflchissante des miroirs de tlescopes. La capacit de rflexion peut atteindre jusqu'a 90 %.

Un conducteur daluminium, compar avec un autre en cuivre, peut avoir la mme rsistance, la moiti de son poids, mais 1,3 fois plus grand. Donc lutilisation de laluminium dans llectrotechnique est trs limite cause du diamtre des conducteurs. Les figures ci-dessous, montrent : Figure 145 : la dpendance de la conductibilit lectrique en fonction de la temprature de recuit. Courbe a : 0,13 % Si et 0,30 % Fe. Courbe b : 0,12 % Si et 0,50 % Fe. Courbe c : 0,64 % Si et 0,10 % Fe.

(fig. 145) Figure 146 : linfluence des diffrents lments dalliages, dissous dans les cristaux mixtes, sur la conductibilit spcifique de laluminium T = 20C. Figure 146 : linfluence du degr de puret de laluminium sur la rsistance spcifique lectrique et sur la conductibilit lectrique.

(fig. 146) 8.3.2. Caractristiques mcaniques

(fig. 147)

A cause de sa structure du type CFC, l'aluminium pur est trs bien dformable froid et chaud, il est donc trs ductile. Cette plasticit leve ltat recuit rend trs ais le corroyage, par contre, son usinage tant mal ais. L'aluminium se prte bien toutes les modalits de soudage sous gaz inerte tels que l'argon ou lhlium (gaz de protection), sinon laluminium s'oxyde facilement et forme une pellicule de Al2O3. Sa faible duret et sa faible limite lastique sont dfavorables pour son emploi en mcanique. Les proprits mcaniques de laluminium dpendent : Des traitements mcaniques (forgeage, laminage, etc.). Des traitements thermiques (trempe, recuit, etc.). Des lments daddition (Fe, Cu, Mn, Zn, Mg, Si).

A titre dexemple : Les proprits mcaniques de laluminium (99,6 %) coul sont : R (rsistance la traction) = 70 100 N/mm. R 0,002 (limite lastique) = 30 40 N/mm. A (allongement) = 15 25 %. HB (duret brinell) = l5 25 HB. E (module dlasticit) = 67500 N/mm. Les proprits mcaniques de laluminium (haute puret) recuit :

R = 50 N/mm. R 0,002 = 15 N/mm. A = 50 %. E = 71000 N/mm. Une dformation plastique froid de laluminium industriel augmente sa charge de rupture jusqu 150 N/mm mais lallongement baisse jusqu 6 %.

Linfluence du fer et du silicium sur les proprits mcaniques de laluminium ltat de recristallisation (aprs un traitement thermique de 5 heures 420C) est montre sur la figure 148.

(fig. 148) Le silicium augmente la limite dlasticit et la rsistance de laluminium plus que le fer. Tandis que le fer amliore lallongement, cela est expliqu par la prcipitation des particules fines et htrognes de AI3Fe dans lalliage binaire AI-Fe, qui seront transforms en grain fins lors du recuit de recristallisation. Les grains fins donnent essentiellement une plasticit meilleure que celle des gros grains. Le fer stabilise la grosseur des gros grains de recristallisation et amliore les proprits mcaniques et surtout la valeur de lallongement et celle de rupture. Le cuivre aussi amliore la rsistance, tandis que le zinc et le magnsium, avec de petites concentrations, ne montrent aucun effet. A cause de la faible rsistance ltat recuit dadoucissement, les produits en aluminium pur et trs pur subissent un durcissement froid rpt. Al 99,99 % : 0,2 = 15 25 N/mm et ZB = 40 60 N/mm. Al 99,5 % : 0,2 = 35 45 N/mm et ZB = 70 90 N/mm.

8.3.3. Tenue la corrosion Le phnomne de la tenue la corrosion est expliqu par la formation dune pellicule ( 0,7 m) non soluble dans leau et protgeant le mtal contre les milieux oxydants et une ventuelle attaque chimique. L'aluminium est trs rsistant conte linfluence atmosphrique et contre beaucoup de produits de lindustrie chimique et alimentaire. Le tableau ci-dessous donne une ide sur la tenue de la corrosion de laluminium et de ses alliages (sans couche de protection) pour les diffrents milieux. Milieu Eau de mer Al 99,5 % 2 3 Al Mg 1 2 Al Cu Mg 3 5

Viande glace Fron Eau distille Essence Gasoil Pltre Matriaux de construction Atmosphre et industrie Eau de fleuve Actylne Ammoniaque Alcool thylique sans eau Alcool thylique avec eau Ethane Produit alimentaire 1. Bon rsistant 4. Encore utilisable 8.4. Alliages daluminium

1 1 1 1 2 1 1 1 2 3 6 2 3 1 2 1 1 2 5 1 2 1 1 Lgende 2. Rsistant 5. Presque rsistant

1 1 1 1 1 3 1 1 1 -

2

2 2

2 1 1 3 3 2 -

3

3

3. Peu rsistant 6. Non rsistant

8.4.1. Influence des lments dalliages sur les proprits de laluminium L'aluminium pur, non alli possde des proprits mcaniques faibles, afin damliorer ces proprits, on est conduit ajouter les lments daddition lors de sa fusion, tels que Mg, Mn, Cu, Si, Ni, Ti, Zn, Co, etc. Ces lments entrent en solution solide ou formant des prcipits qui entranent des composition dalliages industriels. L'avantage des alliages daluminium est quils permettent davoir une bonne rsistance mcanique tout en conservant une faible masse volumique. a. Addition de Mg : Les alliages forms, possdent une rsistance mcanique moyenne. Ils sont utiliss dans le domaine de placage, lorsque avec laluminium, il savre difficile. Ils sont faciles polir et conservent longtemps leur poli cause de la haute rsistance chimique. b. Addition de (Mg + Mn) : Ces deux lments augmentent la rsistance mcanique sans modifier la dformabilit. Ils se prtent bien lemboutissage et au polissage. c. Addition (le (Cu + Si) : Ce sont des alliages de fonderie, prsentant une bonne coulabilit et conviennent surtout pour les pices compliques. d. Addition de (Co + Ti + Zn) : Accroissent la rsistance mcanique sans altrer la coulabilit, laddition de Cu et de Zn facilite lusinage. e. Addition de (Mg + Zn + Cu) : Ils sont aptes aux traitements mcaniques et prsentent une rsistance mcanique maximum. La prsence de cuivre les rend durcissables chaud.

8.4.2. Traitements thermiques des alliages daluminium Pour assurer le durcissement des alliages daluminium, a recourt la trempe et au vieillissement. Les structures hors dquilibre et les dfauts de structure produits par la dformation qui dgradent la plasticit de lalliage sont limins en appliquant le recuit. 8.4.2.1. Trempe et vieillissement Avec labaissement de la temprature, la solubilit dans laluminium, de la plupart des composants, diminue, ce qui permet dutiliser la trempe et le vieillissement pour durcir les alliages. a. Trempe des alliages daluminium : La trempe structurale des alliages daluminium a des buts et des effets totalement diffrents de la trempe martensitique des aciers. Le cycle thermique de ce traitement comprend : - Le chauffage jusqu la temprature de dissolution totale ou partielle des phases intermtalliques en excs dans l'aluminium. - Le maintien cette temprature. - Le refroidissement suffisamment rapide (hypertrempe) jusqu' la temprature ambiante pour obtenir une solide sursature. - Le maintient isotherme ultrieur qui conduit au durcissement de lalliage. Celui-ci est ralis, soit la temprature ambiante (vieillissement naturel ou maturation), soit une temprature suprieure (appel vieillissement artificiel ou simplement vieillissement). Pour mieux comprendre les mcanismes de durcissement structurel engendr par la trempe, prenons lexemple de lalliage Al 4 %-Cu. Daprs le diagramme Al-Cu, (fig.149), la trempe des alliages AI-Cu est dtermine par la ligne abc qui passe au dessus de la ligne de solubilit limite des alliages contenant une teneur en cuivre < 5,6 % et au dessous de ligne eutectique (584C) pour les alliages contenant une plus grande quantit de cuivre ( > 5,6%). Lors de la chauffe pour trempe des alliages titrant 5,6 % Cu, la phase excdentaire en Al2 se dissout compltement et le refroidissement rapide ultrieur ne fixe que la solution solide sursature qui contient autant de cuivre quil y a dans lalliage. Pour une teneur en cuivre > 5,6 %, la structure des alliages aprs trempe, se composera de solution solide sursature dont la composition correspond au point b et de cristaux de la combinaison CuAl2 non dissoute au chauffage.

Diagramme d'quilibre AI Cu

(fig. 149) La dure de sjour, la temprature de trempe ncessaire pour la dissolution des phases intermtalliques, dpend de ltat structural de lalliage, du type de four et de lpaisseur de la pice. Exemple : pour des paisseurs 0,5 150 mm, le temps de chauffage tant de : Fours de salptres : sjour de 10 80 min. Four lectrique circulation force dair : sjour 30 210 min. Pices moules : 2 15 heures.

Aprs la trempe, les alliages de forge sont refroidis leau froide et les moulages de forme leau porte de 50 100C, pour liminer le gauchissement et la formation de tapures. Aprs la trempe, les alliages, tout en possdant une faible rsistance (R, R0,002), acquirent une lasticit leve (A, Z). b. Vieillissement des alliages tremps : La trempe est suivie dun vieillissement qui reprsente est un maintient lambiante pendant quelques jours (maturation) ou un maintient pendant 10 24 heures une temprature accrue (vieillissement artificiel ou par revenu). Le vieillissement saccompagne de dcomposition de la solution solide sursature qui va de pair avec le durcissement de lalliage. Si la distribution des atomes de cuivre dans le rseau de lalliage est statiquement uniforme, la dcomposition de la solution solide sursature se produit en plusieurs stades, en fonction de la temprature et de la dure du vieillissement. Le vieillissement naturel (maturation 20C) ou artificiel (durcissement par le revenu basses tempratures, infrieures 100 ou 150C), ne rvle pas la dcomposition de la solution solide avec isolation de la phase en excs ces tempratures. Les atomes de cuivre se dplacent seulement lintrieur du rseau cristallin de la solution solide de trs faibles distances et saccumulent suivant les plans {l00} en agrgats bidimensionnels lamellaires ou disques dits zones de GUINIER-PRESTON (GP1) comme le montre la figure 150.

(fig. 150) Au sein de chaque cristal, ces zones longues de quelques dizaines dangstrms (30 60 ) et de 5 10 dpaisseur se repartissent plus ou moins rgulirement. La concentration du cuivre dans les zones GP1 est plus faible que dans CuAl2 (54 %). En portant lalliage aprs maturation en quelques secondes ou minutes 230 ou 270C et en le refroidissant rapidement, on supprime totalement le durcissement et lalliage acquiert nouveau les proprits quil avait directement aprs trempe. Ce phnomne a reu le nom de restauration. Ladoucissement la restauration est du au fait qu ces tempratures, les zones GP1 sont instables et cest pourquoi elles se dissolvent dans la solution solide, alors que les atomes de cuivre se redistribuent de nouveau plus ou moins rgulirement dans le volume de chaque cristal de la solution solide, tout comme aprs la trempe. Le maintient ultrieur de l'alliage lambiante, conduit nouveau la formation des zones GP1 et son durcissement. Pourtant aprs la restauration et le vieillissement qui la suit, les proprits anticorrosives de lalliage se dgradent, ce qui rend plus difficile lutilisation de la restauration dans des buts pratiques. Le sjour durable 100C, ou pendant quelques heures 150C, conduit a la formation des grandes zones de Guinier Preston GP2, (fig. 151) (10 40 dpaisseur et 20 300 de diamtre) avec une structure ordonne diffrente de celle de la solution solde .

(fig. 151) La concentration du cuivre dans ces zones correspond la teneur dans CuAl2. Avec laugmentation de la temprature de vieillissement, le processus de diffusion, transformations structurales ainsi que le durcissement lui mme, deviennent plus rapides. Le maintient pendant plusieurs heures aux tempratures 150 200C, conduit au droit des

zones GP2, la formation de particules disperses (lamelles fines) de la phase intermdiaire dont la composition chimique (CuAl2) alors que son rseau cristallin est diffrent, (fig.152).

(fig. 152) La phase est lie par cohsion la solution solide (fig. 153) ; Laugmentation de la temprature jusqu 200 250C, provoque la coalescence de la phase mtastable et la formation de la phase stable, de la sorte, la maturation ne donne lieu qu la formation des zones GP1. Dans le cas du vieillissement par revenu, la succession des transformations structurales peut tre schmatise de la forme suivante. GP1 GP2 (CuAl2)

(fig. 153) Cela ne signifie, pourtant pas quune formation se transforme sur place en une autre. Il se peut que lapparition de la formation ou de la phase successive se produit aprs dissolution de la formation initiale. Le meilleur durcissement des alliages sobtient avec les alliages MgZn2, Mg2Si et la phase S (Al2CuMg) de structure complexe et de composition diffrente de celle de la solution solide . 8.4.2.2. Recuit des alliages daluminium Ses modalits sont : Recuit dhomognisation. Recuit de recristallisation. Recuit dadoucissement (aprs trempe et vieillissement pralable)

a. Recuit dhomognisation : Ce traitement est appliqu aux lingots avant corroyage pour liminer la sgrgation deudutique qui conduit la formation dune solution solide inhomogne et au dpt des inclusions eutectiques fragiles hors dquilibre CuAI2, A12CuMg (phase 5), Mg2Si, Al2Mg3Zn3 (phase T), etc... aux joints des grains et entre les branches de dendrites, (fig.154).

(fig. 154) Au cours de lhomognisation, la composition des cristallites de la solution solide est uniformise, alors que les combinaisons intermtalliques se dposent sous forme de fines inclusions secondaires uniformment rparties, (fig. 155)

(fig. 155) Il sensuit que la plasticit de lalliage coul samliore, ce qui permet daugmenter le degr de corroyage lors du formage chaud, la vitesse de filage et diminuer les rebuts technologiques. Lhomognisation contribue lobtention dune structure grains fins dans les tles recuites et diminue laptitude la corrosion sous tension. Le cycle thermique de ce recuit comprend : - Un chauffage jusqu une temprature leve de 450 520C. - Un maintient qui varie de 4 40 heures. - Un refroidissement lent ou dans le four. b. Recuit de recristallisation : Le recuit de recristallisation consiste chauffer lalliage dform jusqu'aux tempratures suprieures celles de la fin de recristallisation primaire. On lapplique pour supprimer lcrouissage et obtenir un grain fin. Dans la plupart des alliages daluminium, lorsque la dformation atteint 50 75 %, la temprature de dbut de recristallisation

schelonne de 290 400C. La temprature de recuit de recristallisation varie suivant la composition de lalliage de 350 500C et le maintient de 0,5 2,0 heures. Aprs le recuit de recristallisation des alliages non durcis par traitement thermique, la vitesse de refroidissement est choisie arbitrairement. Pour les alliages durcis par traitement thermique, la vitesse de refroidissement allant jusqu' 200 250C doit tre infrieure ou gale 30C/h. Le recuit comme opration intermdiaire est appliqu dans le travail froid ou entre le corroyage chaud et froid. Le recuit incomplet est une modalit de recuit de recristallisation. Il permet dobtenir des proprits intermdiaires entre ltat croui et recristallis. Dans ce cas, la temprature de recuit doit tre infrieure celle de la fin de recristallisation pour assurer lobtention dune structure sous forme de polygone, ou partiellement recristallise, qui supprime en partie lcrouissage. Le plus souvent, le recuit est appliqu dans le cas des alliages de forge et de laminage non soumis au durcissement per trempe et vieillissement. c. Recuit dadoucissement des alliages ayant subi la trempe et le vieillissement : Il est effectu une temprature de 350 450C avec un sjour de 1 2 h. Ces tempratures assurent la dcomposition complte de la solution solide sursature et la coalescence des phases qui durcissent. La vitesse de refroidissement ne doit pas dpasser 30C/h. Aprs le recuit, lalliage possde une faible charge de rupture, une plasticit suffisante et une rsistance leve la corrosion sous tension. 8.4.3. Proprits des alliages daluminium Les principales caractristiques des alliages daluminium sont : a. Rsistance chaud : Dune certaine manire, on peut dire que la rsistance chaud est assez faible au del de 150C, sauf pour les alliages Al-Cu o lon peut atteindre 300C. b. Rsistance aux basses tempratures : Les alliages daluminium ont un rseau cristallin CFC, par consquent, ils ne sont pas fragiles do leur application en cryognie. c. Rsistance la fatigue : De manire gnrale, le coefficient dendurance Rm est de l'ordre de 0,5 pour les alliages non trempants et de (0,25 0,30) pour les alliages trempants. d. Rsistance la corrosion : Comme pour laluminium pur; les alliages daluminium sont protgs contre la corrosion grce la formation dune pellicule de Al2O3. La protection anti-corrosion peut tre amliore par anodisation. Les risques de corrosion craindre dpendent des lments daddition. Corrosion galvanique craindre en prsence du fer. Corrosion de type intergranulaire et sous tension, craindre en prsence dadditions telles que Cu, Mn, Mg + Si et Mg + Zn

e. Mise en forme : Les alliages daluminium sont faciles laminer et emboutir. En particulier les alliages Al-Mg sont trs appropris au filage chaud.

f. Soudage : De manire gnrale, le soudage est facile grce la couche protectrice dalumine (procds de soudage sous gaz protecteur TIG ou sous vide). 8.4.4. Classification des alliages daluminium Les alliages daluminium les plus rpandus sont Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Mg-Si, ainsi que Al-Zn-Mg-Cu. A ltat dquilibre, tous ces alliages forment une solution solide faiblement allie et des phases intermtalliques CuAl2, (phase ), Mg2Si, Al2CuMg (phase S), Al6CuMg4 (phase T). Al3Mg2, Al3Mg3Zn3 (phase T) Tous les alliages daluminium peuvent tre rangs en trois groupes : 1. Alliages corroys : destins la forge et le laminage, ils sont prvus pour lobtention des demi-produits (tles, plaques, feuillards, barres. Profils, tubes, etc.), ainsi que des pices de forge et estampes produites par laminage, pressage, forgeage et estampage. 2. Alliages de fonderies : prvus pour le moulage des formes. 3. Alliages fritts : labors par frittage suivant la mthode de mtallurgie des poudres. 8.4.4.1. Alliages corroys avec et sans durcissement structural Ils sont obtenus, fondus dans des fours induction, car grce au mouvement du bain induit quon obtient un mlange homogne, cest dire, une rpartition homogne des lments daddition. Le magnsium et le zinc, possdant pratiquement un point de fusion infrieur celui de lalliage daluminium de 750C, sont ajouts sous forme de mtaux, cependant le Cu, Si, Mn sont introduits sous forme dalliages, car ils possdent un point de fusion infrieur 750C. Suivant l'aptitude au durcissement par traitement thermique, les alliages corroys sont classs en deux types : Alliages sans durcissement structural (non trempants). Alliages avec durcissement structural (trempants).

A. Alliages sans durcissement structural Ce sont les alliages base de Mn et Mg tels que Al-Mn, AI-Mg, Al-Mg-Mn (alliages de forge et d'estampage). Leur durcissement naturel est du la formation dune solution solide et dans une moindre mesure aux phases en excs. Leurs compositions chimiques et proprits mcaniques sont donnes sur le tableau ci-dessous selon la norme GOST Composition chimique (%) Nuance AMII AMr2 Mn 1,0 1,6 0,2 0,6 Mg 1,8 2,8 Proprits mcaniques R R 0,002 A (kgf/mm) (kgf/mm) (%) 13 (17) 5 (13) 23 (10) 20 (25) 10 (20) 23 (10)

AMr3 AMr5 AMr6

0,3 0,6 0,3 0,6 0,5 0,8

3,2 3,8 4,8 5,8 5,8 6,8

22 30 30 (40)

11 15 15 (30)

20 20 18 (10)

Ces types d'alliages se prsentent bien au travail froid (estampage, cuitrage, etc.), au soudage et possdent une tenue la corrosion leve. La limite lastique et la rsistance la traction augmentent et lallongement diminue. Au del de la temprature de 150C, le long sjour conduit la diminution de la rsistance. Un recuit de recristallisation entre 350 450C peut produire un retour ltat doux. Pour obtenir une structure grains fins lors de la recristallisation, il est exige au pralable une dformation allant jusqu 50 %. Leur usinage l'tat recuit est trs difficile. a. Alliage Al-Mn : La teneur en manganse est de 1,0 1,6 %. La rsistance la traction est suprieure que celle de Ialuminium pur, malgr que les proprits de dformation sont identiques. La tenus la corrosion est aussi meilleure que celle de laluminium pur. Une meilleure usinabilit peut tre obtenue grce laddition de magnsium (0,2 0,3) %, de titane ou de chrome. Le manganse augmente aussi la temprature de recristallisation, laddition dune faible teneur en Mn permet daugmenter nettement la rsistance mcanique des alliages. L'alliage Al-Mn est une solution solide de manganse dans laluminium qui comporte galement une faible quantit de particules de la combinaison Al6Mn, voir diagramme dquilibre partiel Al-Mn, (fig.156). Ils sont utiliss pour les toitures, coffrages, revtements, rservoirs, ustensiles de cuisine, etc. Caractristiques des nuances 3003 et 3004 ltat recuit. Nuances A MI 3003 A MIG 3004 Composition (1 1,5) % Mn (0,05 0,2) % Cu (1 1,5) % Mn < 0,25 % Cu Rm (MPa) 100 130 120 160 A (%) 25 22

(fig. 156) b. Alliage Al-Mg : A ce groupe appartiennent les alliages avec une teneur en magnsium de 0,2 7,2 % et une teneur en Mn de 0,2 0,8 %. Ces alliages sont caractriss par une rsistance (stabilit) leve contre leau sale. Les alliages avec une teneur en Mn jusqu'a 5 % sadaptent bien I'oxydation anodique cause de leur structure fine et homogne. Les alliages avec une teneur > 5 % en Mn se laissent difficilement travailler et posent des problmes aux soudages et sinclinent devant la corrosion intercristalline et sous tension. Les alliages 7 % Mn sont caractriss par de bonnes proprits de surface. A ltat dquilibre, aprs refroidissement, les alliages Al-Mg sont biphass + , (Al3Mg2). Pourtant la haute stabilit de la solution solide et la faible vitesse de diffusion du Magnsium dans laluminium font que mme, aprs refroidissement lent, ils ne contiennent pas de phase excdentaire et se composent dquilibre partiel Al-Mg, (fig.,157).

(fig. 157) Quand les alliages Al-Mg sont ltat d'quilibre, la solubilit du magnsium dans la phase est denviron 15 % 450C mais elle se rduit jusqu 2 % la temprature ambiante.

A basse temprature, la prcipitation de la phase ne donne pas un durcissement structural apprciable. Les alliages Al-Mg sont en gnral limits 5 % Mg en raison des difficults de mise en uvre et de transformation. La variation des proprits mcaniques de laluminium en fonction de la teneur en Mg est donne sur la figure 158.

(fig. 158) Le magnsium accrot fortement la rsistance la rupture jusqu' 15 %, accrot moyennement la limite lastique et rduit brutalement lallongement au del de 12% Mg. Les alliages AI-Mg sont utiliss dans lindustrie automobile, aviation, navales, et pour des buts dcoratifs. c. Alliage Al-Mg-Mn : Ces alliages contiennent de 1,6 2,5 % Mg et de 0,5 1,5 % Mn. Ils possdent une excellente rsistance contre leau sale. L'addition dune faible quantit de chrome (0,2 0,5) % peut viter les difficults qui se posent lors du travail du mtal, la formation dune structure gros grains et la formations des fissures de soudage. Ces types dalliages sont utiliss surtout dans la construction navale, laviation, dans lindustrie chimique et alimentaire. B. Alliages avec durcissement structural (alliages de forge et de laminage) : Le durcissement des alliages daluminium a t dcouvert en 1906 par lallemand Alfred Wilhr dans le systme Al-Cu-Mg. Il est trs connu aujourdhui pour plusieurs alliages. Le but de ce traitement est d'augmenter la rsistance mcanique et la rsistance lusure du matriau. Les diffrents alliages daluminium destins au durcissement sont : AlCuMg, AlMgSi, AlZnMg, AlZnMgCu, leur composition chimique est indique sur le tableau cidessous selon TGL.Types AlMgSi0,5 AlMgSi 1 AlCu4Mg1 AlCu4Mg2 AlCu3Mg AlZnMgCu0,5 Mg 0,4 0,9 0,7 1,5 0,4 1,1 1,2 1,8 0,6 1,3 2,4 3,8 % dlments dalliages % dlments dadmixtion Si Cu Mn Si Cu Mn Fe Zn Ti autres 0,3 0,7 - 0,05 0,10 0,4 0,2 0,2 0,05 0,7 1,5 0,05 1 - 0,10 - 0,5 0,2 0,2 0,05 0,2 0,7 3,5 4,8 0,4 1,0 - 0,7 0,3 0,2 0,05 3,9 4,8 0,4 1,1 0,5 - 0,5 0,3 0,2 0,05 2,8 3,5 0,3 1,0 0,6 - 0,7 0,6 0,2 0,05 0,4 1,0 0,1 0,6 0,5 - 0,5 - 0,1 0,05 En plus Cr : 0,1 0,3 %.

Dans le pass, on utilisait surtout les alliages haute rsistance, tels que AlCuMg et AlZnCu, avec une limite de rupture > 400 N/mm2, surtout dans le domaine de laviation, mais au cours des dernires annes, il sest dveloppe la production de lalliage AlMgSi avec une rsistance moyenne utilise surtout pour les produits presss. Techniquement on utilise aussi le durcissement pour CuCr, CuZr, CuCrZr, CuBe, PbCaNa, etc. et mme pour les aciers allis. Conditions pour le durcissement dun alliage : La diminution de la temprature dcroissance de la solubilit des lments dalliages dans le mtal de base. Il existe des cristaux mixtes homognes haute temprature qui doivent tre surfusionns la temprature ambiante. Donc il n'est pas permis pendant le refroidissement brusque leur dcomposition en phase quilibre. Une troisime condition plus importante cest que le systme en question doit accepter dtre durci. Il y a une srie dalliages qui remplissent les deux conditions, mais ne montrent aucun durcissement.

Un alliage dAl-Cu avec 4 % Cu, avec recuit dhomognisation 500C, ensuite partir de cette temprature, il est refroidi leau (refroidissement brusque), cet alliage montre une augmentation de la duret jusqu un certain niveau (plateau), ensuite de nouveau jusqu'au maximum, aprs dpassement du maximum, elle chute, (fig. 159). La premire augmentation de la duret jusqu'au plateau est dsigne comme durcissement froid, la seconde comme durcissement chaud.

(fig.159) A partir de ce processus, on peut expliquer un tel phnomne. Par le recuit 500C, les atomes de cuivre sont statiquement rpartis dans le rseau cristallin de laluminium. Si on refroidit brusquement, partir de cette temprature, les cristaux mixtes ne se dcomposent pas et la rpartition atomique reste conserve, mais avec le temps, les atomes de cuivre se rassemblent par le processus de diffusion dans le rseau d'aluminium. Dans les zones de couches atome unique, lallongement de la surface provoque des tensions internes dans le rseau, ces dernires prsentent lextrieur une augmentation de la rsistance et de la duret du matriau. Le processus de durcissement nest pas trs clair pour la majorit des alliages part lalliage AI-Cu-Mg. Donc on comprend par traitement de durcissement, un recuit

dhomognisation suivi par un refroidissement brusque ( leau) aux tempratures ambiantes ou leves. Techniquement on distingue le durcissement froid ou chaud : - Le durcissement froid est un traitement de durcissement avec vieillissement temprature ambiante. - Le durcissement chaud seffectue temprature leve a. Alliage Al-Cu-Mg : Les alliages Al-Cu-Mg sont des alliages hautes rsistance mcanique, ils contiennent environ 2 4,9 % Cu, 0,2 1,8 Mg, 0,2 1,1 Mn et dans certains cas, 0,2 0,6 % Si et sont caractriss par une rsistance leve lorsquils subissent la trempe et le revenu. Ils prsentent une bonne tenue chaud, mais une soudabilit et une rsistance la corrosion faibles cause de la teneur leve en Cu, cet effet ces types dalliages sont toujours plaqus avec de laluminium pur. Les proprits mcaniques de l'aluminium et de ses alliages ne peuvent atteindre celles des aciers, mais on essaie toujours de trouver un traitement thermique convenable pour lamlioration des proprits mcaniques. En 1906, lallemand Alfred Wilm a russi aprs plusieurs annes de recherches, damliorer la duret et la rsistance de lalliage AI-Cu-Mg par durcissement structural et un brevet dinvention a t dpos sous le nom de Duralumin. Donc on peut amliorer la duret et les proprits mcaniques (rsistance la rupture) dun alliage dAI-Cu-Mg. avec la composition chimique de 4,2 % Cu, 0,52 % Mg, 0,6 % Mn et le reste Al avec des inclusions (Fe, Si, etc.), bien que le manganse ne fait pas partie des phases durcissantes, sa prsence dans les alliages est utile. Il amliore la tenue du Duralumin la corrosion et sa prsence sous forme de particules disperses de la phase T (A112Mn2Cu), augmente la temprature de recristallisation et amliore les proprits mcaniques. Le Duralumin contient aussi comme inclusions le fer et le silicium, le fer diminue la rsistance et la plasticit du Duralumin. En se liant au cuivre, le fer affaiblit au vieillissement, leffet durcissant, cest pourquoi la teneur en fer ne doit pas dpasser 0,5 0,7 %. Le silicium contribue la dgradation de la rsistance, mais participe au durcissement avec une faible proportion. L'alliage possde, l'tat initial, une rsistance de 16 22 kp/mm2, une duret de 40 60 kp/mm2, un allongement de 15 25 %. Si on fait le recuit de cet alliage T = 500C pour une dure de maintient de 15 min, suivie d'un refroidissement brusque ( l'eau), on obtient ne amlioration des proprits mcaniques tels que laugmentation de la rsistance 32 kp/mm2, de la duret 78 kp/mm et lallongement reste prs de 25 %. Sur la figure 160, on peut constater llvation des proprits mcaniques (rsistance et duret) en fonction du temps de maintient. On remarque que lallongement reste presque invariable.

Courbe A : Rsistance et duret Courbe B : Allongement

(fig. 160) La rsistance (tnacit) de cet alliage peut encore augmenter en faisant subir lalliage une dformation froid, on obtient un alliage avec des proprits quivalentes celles dun acier de construction rsistance moyenne, cest dire on atteint une rsistance la rupture quivalente 55 kp/mm, un allongement denviron 10 % et un bon rapport de la limite lastique. Ce type de traitement thermique est utilis pour certains alliages mtalliques dans le systme Al-Cu, (fig.161).

(fig. 161) On reconnat que laluminium possde une certaine solubilit pour le cuivre, cest dire dans le cristal daluminium, les atomes d'aluminium peuvent tre remplacs par des atomes de cuivre. La solubilit est maximale 5,65 % de Cu et T = 548C. A temprature ambiante, un alliage avec 4/o de Cu se compose de cristaux mixtes Al-Cu avec une teneur infrieure 0,5 % de Cu et d'une liaison intermtallique Al2Cu. Un tel alliage, sil est port la temprature de 550C, les cristaux mixtes Al-Cu sont en situation dabsorber une grande partie du cuivre, ensuite la liaison Al2Cu sera dissoute et on aura uniquement le prsence de cristaux mixtes Al-Cu avec une teneur de 4 %. Cette dpendance entre la temprature et la solubilit est une condition pur le vieillissement. Maintenant si on refroidit lentement lalliage homogne partir de T = 550C on a une prcipitation de nouveau Al2Cu correspondant une solubilit qui baisse,

mais on refroidit brusquement leau. Lalliage homogne, dans ce cas, le cuivre reste dans les cristaux: mixtes, cest dire on obtient une solution sursature. Cet tat est instable et les atomes de cuivre cherchent se diffuser des cristaux mixtes. L'augmentation de la duret et de la rsistance ont pour cause le phnomne de ltat instable. Donc on peut retenir que : - Dans ltat stable on a la formation dune phase de cristaux mixtes avec solubilit dcroissante pour des tempratures dcroissantes. - Lors du chauffage dans le domaine de solubilit leve avec ensuite le refroidissement induit la formation de cristaux mixtes sursaturs par surfusion. Dans le tableau ci-dessous, on peut constater que les proprits mcaniques de lalliage diminuent avec laugmentation de la section (S) des barres ou lpaisseur (E) des tles. Alliage Produit 0,2 (kp/mm) 26 27 22 27 24 31 34 25 29 28 26 ZB (kp/mm) 38 40 36 40 38 45 48 40 44 43 41 (%) 12 10 8 15 14 9 8 6 14 12 10 HB (kp/mm) 100 100 90 100 90 115 125 105 110 110 110

Barre S 2000 mm S = 2000 8000 mm AlCuMg1 S 8000 mm Tle E = 1 10 mm E = 10 20 mm Barre S = 500 2000 mm S = 2000 8000 mm S 8000 mm AlCuMg2 Tle E = 1 6 mm E = 6 10 mm E = 10 20 mm

Cela est expliqu par linfluence de la vitesse de refroidissement exige pour la surfusion des cristaux mixtes homognes haute temprature lors du refroidissement. Avec laugmentation de la section de la surface du matriau, la chaleur vacuer es trs importante et le refroidissement l'intrieur du matriau (cur) se ralentit, ce qui provoque lors du refroidissement une dcomposition dune partie des cristaux mixtes et lors du processus de durcissement, on na pas la prsence de la totalit de la concentration de lalliage et on ne peut pas atteindre une augmentation de la rsistance, donc on a la prsence dun alliage avec une faible concentration en lments durcissants. Donc il est trs important de surveiller (utiliser) un refroidissement brusque surtout pour les alliages Al-Cu-Mg. Le Duralumin livr en tles, est protg contre la corrosion par plaquage, cest dire par lapport dune couche fine daluminium trs pur. L'paisseur dune telle couche doit tre au moins de 4 % de lpaisseur de la tle. Le plaquage diminue sensiblement la rsistance et la charge de rupture des tles.

b. Alliage Al-Si-Mg (alliage Avial) : Ces alliages ont une trs bonne aptitude la transformation chaud, ils sont trs rsistants la corrosion. Leur durcissement est du la prcipitation de la phase durcissante Mg2Si. Ce groupe dalliage comprend les alliages avec 0,4 1,4 % Mg, 0,3 1,6 % Si et de 0 1 % Mn. De bonnes proprits peuvent tre atteintes lorsque la composition du Mg2Si correspond au rapport de Mg/Si = 1,7. Un surplus de silicium peut amliorer la rsistance mais diminuer la tenue la corrosion et la tnacit. Leur diagramme dquilibre est donn par la figure 162. Les alliages Al-Si-Mg sont moins rsistants que le Duralumin mais ils ont une meilleur plasticit froid et chaud, ils se soudent bien et leur limite de fatigue est leve. Le recuit de dissolution s'effectue une temprature de 500 540C suivi dun refroidissement brusque. Le durcissement chaud seffectue une temprature de 140 160C. (fig. 162) Les alliages avec des concentrations 0,5 % Si, 0,7 % Mg sont utilise pur des buts dcoratifs, fils et cbles lectriques, tandis que les alliages avec 1,1 % Si et 1,0 % Mg sont utiliss en construction navale, aviation, mcanique de prcision, lectrotechnique et les pices qui imposent une plasticit leve chaud et froid. c. Alliage Al-Zn-Mg : Les alliages appartenant ce groupe ont la composition chimique suivante : Zn : 4 5 % Mg : 0,5 3,5 % Mn : 0 1 % Cr : 0 0,3 %

L'alliage avec 4 5 % Zn , 0,5 1,5 % Mg, 0 1 % Mn et 0 0,3% Cr se durcit automatiquement selon le recuit de dissolution la temprature de 350 500C, une trempe leau n'est pas exige. La duret maximale est atteinte aprs un sjour de 30 jours. Un durcissement chaud des tempratures de 120 140C peut donner des valeurs de rsistance leves.

Aprs chauffage, par exemple lors du soudage, il y a renouvellement de leffet de durcissement. Lalliage possde de bonnes proprits de dformation et oxydable anodiquement cause de sa structure homogne. Une couche supplmentaire de protection conte les actions de corrosion est ncessaire. Les phases durcissantes de cet alliage sont MgZn2 et Al2Mg3Zn3. Avec laugmentation de la teneur en Zn et Mg, la rsistance de lalliage crot, alors que la plasticit et la tenue la corrosion diminuent. La tenue la corrosion et les proprits mcaniques peuvent tre amliors par laddition de faibles quantits de manganse, de chrome et de vanadium ou par un refroidissement lent jusqu moyen.