1 L'aluminium et ses alliages

1. L'ALUMINIUM ET SES ALLIAGES

1.1 Principales caractéristiques de l'aluminium

En tonnage, la production d'aluminium ne représente que 2 % environ de celle des aciers. Cependant, ce métal et ses alliages arrive en seconde position pour l'utilisation des matériaux métalliques. L'aluminium doit cette place à un ensemble de propriétés qui en font un matériau remarquable.

1.1.1 Masse volumique

La masse volumique de l'aluminium est de 2700 kg/m³. L'utilisation de l'aluminium s'impose donc dans les domaines de la construction aéronautique et du transport.

1.1.2 Résistance à la corrosion

Grâce à la couche d'oxyde qui se forme en surface, les alliages d'aluminium résistent à la corrosion. On peut rendre cette couche protectrice d'oxyde plus épaisse par anodisation. L'aluminium et ses alliages peuvent alors être utilisés sans protection supplémentaire comme revêtements extérieurs de bâtiments. Par contre, dans les milieux corrosifs, les alliages d'aluminium peuvent subir les effets de la corrosion. Des piqûres, de la corrosion sous contrainte, de la fatigue corrosion, voire de la corrosion généralisée peuvent se développer. Pour des conditions données, la sévérité de l'attaque dépend de l'alliage utilisé et de son état.

1.1.3 La conductibilité électrique

La conductibilité électrique de l'aluminium commercialement pur atteint 62 % de celle du cuivre. Par ailleurs, la masse volumique du cuivre est plus élevée que celle de l'aluminium. Un conducteur en aluminium, dont la masse est inférieure à celle d'un conducteur en cuivre, s'échauffe moins.

1.1.4 Propriétés mécaniques

L'aluminium commercialement pur possède, à l'état recuit, des propriétés mécaniques faibles. On peut toutefois améliorer considérablement ces propriétés par écrouissage, addition d'éléments d'alliage ou traitements thermiques, selon les cas. L'aluminium et ses alliages ont une structure cristalline cubique à faces centrées. Ils font donc preuve, à l'état recuit, d'une excellente ductilité à toute température.

1.1.5 Propriétés de mise en forme

L'aluminium a une température de fusion relativement basse, d'environ 660° . II en résulte une facilité de fusion qui présente un avantage certain pour les opérations de fonderie. L'aluminium est très ductile, on peut aisément le mettre en forme à l’état solide, par déformation plastique.

Les alliages peuvent être mis en forme selon deux techniques.

	Mise en forme par corroyage. Elle concerne les demi-produits et les produits finis. On travaille par déformation à chaud des lingots, des billettes ou des brames de coulée continue.
	Mise en forme par fonderie.

Pour les alliages corroyés, une distinction est faîte entre les alliages non trempants et les alliages trempants, cf. Tableau 1.

Catégorie d’alliages	Méthodes d’amélioration des propriétés mécaniques
non trempants	addition d'éléments en solution solide, présence de secondes phases dispersées, écrouissage
trempants	durcissement structural

Tableau 1 : les méthodes d’amélioration des propriétés mécaniques.

La principale méthode de durcissement par traitement thermique est donc le durcissement structural. La méthode par traitement mécanique est l’écrouissage.

1.1.6 Etats métallurgiques

On peut obtenir des alliages d'aluminium en divers états: recuits, écrouis ou trempés et vieillis. On désigne le plus souvent ces différents états par des symboles, cf Tableau 2. Ces désignations s'appliquent aussi bien aux alliages corroyés qu'aux alliages de fonderie.

Symbole	ETAT DE BASE
F	Brut de fabrication
O	Recuit
H	Ecroui
T	Traité thermiquement
W	Trempé et non stabilisé

Tableau 2 : normalisation des états métallurgiques

Les états F et O n’ont pas de subdivisions, au contraire des états H et T.

Subdivisions de l’état H : elles sont décrites par au moins deux chiffres. Le 1^er indique le traitement post-écrouissage, le second l’état de dureté de l’alliage, cf Tableau 3.

1^er chiffre

1 : Ecrouissage, autre traitement supplémentaire non indiqué

2 : écrouissage puis restauration

3 : écrouissage puis stabilisation

2^èmechiffre

Hx2 : état quart-dur

Hx4 : état demi-dur

Hx6 : état trois-quarts dur

Hx8 : état dur

Hx9 : extra-dur

Tableau 3 : subdivisions de l’état écroui

1.2 Alliages corroyés

1.2.1 Désignations des alliages

Nous désignerons les alliages d'aluminium corroyés suivant les normes de l'Aluminium Association des Etats-Unis . Ces normes affectent à chaque type d'alliage un nombre de quatre chiffres qui permet de les classer en séries. Nous traiterons des alliages non trempants des séries 1000, 3000 et 5000 . Ensuite, les alliages à durcissement structural des séries 2000, 6000 et 7000 seront vus , cf Tableau 4. Les alliages de la série 4000 sont peu utilisés , nous les négligerons .

Groupe	Aluminium ou alliage
1	Aluminium pur ( teneur en aluminium supérieure à 99,00 %
2	Alliages Aluminium – Cuivre
3	Alliages Aluminium – Manganèse
4	Alliages Aluminium – Silicium
5	Alliages Aluminium – Magnésium
6	Alliages Aluminium – Magnésium – Silicium
7	Alliages Aluminium – Zinc
8	Autres alliages d’aluminium

Tableau 4 : le classement en séries de l’Aluminium Association

1.2.2 Alliages sans durcissement structural

1.2.2.1 Série 1000

Les alliages de cette série sont essentiellement des aluminiums dont la pureté commerciale est d’au moins 99% Al. A l’état recuit, leurs propriétés mécaniques sont faibles, mais on peut les améliorer par écrouissage.
Ils se prêtent facilement à la mise en forme par déformation plastique à froid, notamment l’emboutissage et la chaudronnerie. Ils font preuve d'une excellente tenue en atmosphère humide et marine. Cette qualité est utilisée, par exemple, après placage par laminage, pour protéger des alliages d'aluminium sensibles à la corrosion.
Grâce à la grande conductibilité électrique de certains alliages de cette série, on peut utiliser ceux-ci comme conducteurs électriques. Ces alliages sont également recherchés pour leur conductibilité thermique élevée. Cette propriété est utilisée pour les tubes d'évaporateurs et de radiateurs. Ils ont aussi une excellente tenue aux très basses températures. Cette propriété est utilisée dans l’industrie cryogénique.

1.2.2.2 Série 3000 (Al/Mn)

La solubilité maximale du manganèse dans l'aluminium diminue rapidement avec la température, cf Figure 1 . Elle est de 1,8% à 659°C.Le manganèse se combine à l'aluminium pour former un composé intermétallique: Al₆Mn. Le durcissement de l’aluminium par des additions de manganèse est dû au composé Al₆Mn . Ce précipité est dispersé dans la matrice. Les teneurs en Mn sont maintenues inférieures à 1,5 %.

On constate également une augmentation de la température de reristallisation de l’alliage.

Figure 1 : la partie gauche du diagramme d’équilibre Al-Mn

L'addition de magnésium à des teneurs inférieures à 1,2 % entraîne un durcissement secondaire par solution solide.

Les alliages Al-Mn se prêtent aisément à la mise en forme. On produit des tôles, barres, fils, profilés, tubes, etc.. Par ailleurs, ils résistent bien à la corrosion atmosphérique et sont facilement soudables. Ils remplacent l’aluminium non allié de la série 1000 chaque fois qu'on recherche une amélioration des propriétés mécaniques.

1.2.2.3 Série 5000 (Al‑Mg)

La Figure 2 présente le diagramme d'équilibre Al/Mg. Les alliages Al/Mg corroyés contiennent moins de 4 % de Mg. Dans ces conditions, on retrouve le magnésium en solution solide, et le reste sous forme de composé Mg₂Al₃.

Figure 2 : le diagramme d’équilibre Al-Mg

Les alliages de cette série ne sont pas sujets au durcissement structural. Pour les alliages écrouis, un séjour prolongé à la température ambiante ou plus élevée, provoque une précipitation. Mg₂Al₃ se forme aux joints de grains. Ceci peut entraîner des conséquences néfastes sur la résistance à la corrosion. Il y a, en effet, une possibilité de corrosion intergranulaire ou de corrosion sous tension. Pour pallier cette tendance, on soumet ces alliages, après écrouissage, à un recuit de stabilisation.
Les utilisations des alliages de la série 5000 découlent de leurs principales caractéristiques, cf Tableau 5.

Caractéristique	Valeur
Résistance mécanique	Moyenne. On peut l’améliorer par écrouissage, aux dépens toutefois de leur ductilité
Aptitude à la transformation	Grande aptitude aux transformations à chaud (filage, forgeage) et à froid, à l'état O (emboutissage, filage, cintrage, etc.)
Soudabilité	Excellente
Résistance à la corrosion	Très bonne. On peut encore l’améliorer par anodisation
Etats de surface	Bonne après polissage et anodisation. Dans ce cas, il faut maintenir leurs teneurs en fer et en silicium à des valeurs minimales

Tableau 5 : les caractéristiques de la série 5000

1.2.3 Alliages à durcissement structural

1.2.3.1 Série 2000 (Al/Cu et Al/Cu/Mg)

Les teneurs en cuivre des alliages de cette série sont comprises entre 2,6 et 6,3 %. Les teneurs en magnésium varient de 0,5 à 1,5 %. Le durcissement structural de ces alliages est dû à la précipitation de composés transitoires d'Al₂Cu et CuMgAl₂ . Ces phases leur confèrent d'excellentes propriétés mécaniques . L'addition de silicium et de manganèse, favorise la formation de composés quaternaires . Par dispersion, ces derniers améliorent les propriétés de la matrice.
Par contre, la présence de fer est souvent nuisible. La formation de Cu₂FeAl₇ ,contenant le fer, diminue la quantité de cuivre nécessaire au durcissement structural. Cependant, si, en plus du fer, on ajoute du nickel, il y a formation du composé Al₉FeNi, qui confère à l'alliage une bonne tenue mécanique jusqu'à 230°C.

D’autre part, les alliages de la série 2000 font preuve d'une résistance médiocre à la corrosion. A l’état trempé et vieilli, la présence de précipités cathodiques crée une pile par rapport à la matrice. Par ailleurs, ces alliages sont difficilement soudables ; en effet, puisque les zones adjacentes aux cordons de soudure subissent un recuit lors du cycle thermique imposé par le soudage, leurs propriétés mécaniques s'en trouvent considérablement affaiblies.

1.2.3.2 Série 6000 (Al/Mg/Si)

Le durcissement structural des alliages d'aluminium de la série 6000 est dû à la formation du composé Mg₂Si . Quand le magnésium et le silicium se combinent en Mg₂Si le rapport massique Mg/Si est égal à 1,73. Pour la plupart de ces alliages, ce rapport est respecté . On rencontre parfois un excès de silicium qui améliore les propriétés mécaniques. Ceci se fait au détriment de la résistance à la corrosion. Certains alliages comportent en outre des additions de manganèse ( < 0,8 %) et de chrome ( < 0,3 %) . Ces éléments ont pour effet d'augmenter leur résistance mécanique et leur ténacité, et d'affiner la taille des grains.

L'addition de cuivre améliore également les propriétés mécaniques de ces alliages, mais on limite sa teneur à 0,5 % . Il diminue leur résistance à la corrosion.

Ces alliages possèdent des propriétés mécaniques moyennes par rapport aux autres alliages d'aluminium à durcissement structural . Par contre , ils ont une excellente aptitude à la mise en forme à chaud . Les techniques de production sont le filage, le forgeage etc. Une bonne soudabilité est également rencontrée . Par ailleurs, leur comportement aux basses températures est acceptable, mais leur résistance à chaud est limitée à 150°C. Ils font preuve d'une excellente résistance à la corrosion atmosphérique, tout en étant insensibles à la corrosion sous tension.

1.2.3.3 Série 7000 (Al‑Zn‑Mg et Al/Zn/Mg/Cu)

De tous les alliages d'aluminium, ceux de la série 7000 présentent, après traitements thermiques, les propriétés mécaniques les meilleures. Leur teneur en zinc varie de 4 à 8 % et celle en magnésium de 1 à 3 %. Leur durcissement structural est dû principalement à la précipitation de formes transitoires (zones GP) du composé MgZn₂.
L'addition de cuivre, jusqu'à des teneurs de 2 %, durcit ces alliages par solution solide et par précipitation. Par ailleurs, la présence de cuivre dans les zones GP augmente leur stabilité à chaud. Le cuivre diminue toutefois la trempabilité, la soudabilité et la ténacité des alliages Al/Zn/Mg. Le chrome (< 0,3 %) améliore leur résistance à la corrosion sous tension.

Outre leurs propriétés mécaniques remarquables, les alliages de la série 7000 se prêtent facilement aux traitements thermiques. Cette qualité est due à leur grand intervalle de température de mise en solution, leur bonne trempabilité. Leurs températures de vieillissement sont relativement basses : de la température ambiante à 160°C. Grâce à cet ensemble de propriétés, les caractéristiques des joints soudés peuvent rester voisines de celles du métal de base. La soudabilité de ces alliages, favorisée par la présence de zirconium, reste moyenne.

Le principal inconvénient des alliages de cette série est leur faible résistance à chaud, dès que la température de service dépasse 120°C.

1.3 Alliages de fonderie

1.3.1 Qualités recherchées

Les qualités qu'on recherche pour un alliage de fonderie sont différentes de celles d'un alliage corroyé. Les zones à usiner exceptées, les pièces de fonderie ont leur forme définitive après démoulage. Par ailleurs, elles ne subissent aucune déformation plastique. Les propriétés de ces alliages découlent des opérations de fonderie, cf Tableau 6.

Qualités	Observations
Coulabilité	Aptitude du métal liquide à bien remplir l’empreinte
Absence de formation de criques	Fissuration à chaud causée par le retrait du métal
Bonne répartition de la porosité	Due au retrait qui accompagne la solidification
Températures de fusion relativement basses	Permettent d'employer des moules métalliques réutilisables (des coquilles) dans lesquels on coule le métal soit par gravité, soit sous pression

Tableau 6 : les qualités des alliages de fonderie

Dans de nombreux cas, on peut également effectuer la coulée dans des moules en sable ou en matériau réfractaire. On comprend que les microstructures dépendent de la vitesse de solidification. Ces microstructures influent les propriétés mécaniques. Ce temps de solidification est fonction du type de moule utilisé. Dans les moules métalliques, la solidification se produit beaucoup plus rapidement que dans les moules en sable. Il en résulte une structure plus fine (distance interdendritique, taille des composés intermétalliques) qui entraîne une amélioration des propriétés.

Les alliages d'aluminium de fonderie ont en général des teneurs plus fortes en éléments d'alliages. Ceci permet, d'obtenir une proportion non négligeable d'eutectique. D'autres buts de ces teneurs fortes sont d'abaisser le point de fusion et diminuer l’intervalle de solidification.

1.3.2 Désignation des alliages

Cette normalisation selon les normes de l’Aluminium Association est donnée, cf Tableau 7. Dans ce système, les alliages d’aluminium de fonderie sont groupés par leurs éléments principaux d’addition. On utilise un nombre à quatre chiffres avec un point séparant les deux derniers.

CODE	ELEMENT (S) D’ADDITION
1xx.x	Moins de 1% (aluminium à 99,00% ou plus)
2xx.x	Cuivre
3xx.x	Silicium, avec un ajout de Cuivre et/ou de Magnésium
4xx.x	Silicium
5xx.x	Magnésium
7xx.x	Zinc
8xx.x	Etain
9xx.x	Autres éléments
6xx.x	Série non utilisée

Tableau 7 : les séries d’alliage de fonderie selon l’Aluminium Association

1.3.3 Alliages Al/Cu

La fonderie utilise rarement les alliages qui contiennent uniquement du cuivre, à cause de leur mauvaise coulabilité. Cette propriété peut toutefois être améliorée par l'addition de silicium. On peut néanmoins obtenir de bonnes propriétés à chaud en effectuant des additions de nickel et de magnésium.

1.3.4 Alliages Al/Si, Al/Si/Mg et Al/Si/Cu

Les alliages Al/Si sont les plus utilisés. Leurs teneurs en Si varient de 5 à 20 %. La très grande majorité de ces alliages présentent une composition eutectique ou hypoeutectique. La composition de l'eutectique est de 12,7 % de silicium, cf Figure 3.

Figure 3 : le diagramme d’équilibre Al-Si

Les alliages de ces séries font preuve d'une très bonne coulabilité et résistent bien à la corrosion. Le silicium présent dans le constituant eutectique a normalement une morphologie aciculaire. Cependant, une addition de sodium ou de strontium permet de modifier cette morphologie. Le silicium devient alors fibreux.
L'addition de magnésium (de 0,3 à 1 %) aux alliages Al/Si permet d'améliorer considérablement leurs propriétés mécaniques. Les alliages Al/Si/Mg sont en effet durcissables par précipitation contrôlée du composé Mg₂Si et de ses formes transitoires.

L'addition de cuivre (de 3 à 5 %) améliore les propriétés mécaniques des alliages Al/Si. Dans ce cas, l'addition de magnésium améliore leur réponse aux traitements thermiques. Les alliages Al/Si/Cu eutectiques ont une bonne tenue à chaud et un faible coefficient de dilatation. On les utilise en particulier pour la fabrication de pistons ou de culasses, dans les moteurs à combustion interne.

1.3.5 Alliages Al/Mg

L'excellente résistance à la corrosion en atmosphère marine est le critère de choix de cette série. La résistance à l’eau de mer est également très bonne. Par contre, leur coulabilité est médiocre.

1.3.6 Alliages Al/Zn/Ni

Ces alliages sont difficiles à couler. Leur faible coulabilité et leur tendance au criquage et à la porosité en sont les causes. Par contre, ils sont autotrempants et vieillissent naturellement à la température ambiante. Leurs propriétés deviennent ainsi maximales après environ un ou deux mois. La vitesse de refroidissement affecte peu leurs propriétés mécaniques. Par conséquent, celles-ci ne varient pas en fonction de l’épaisseur des pièces coulées.