ALLIAGES D'ALUMINIUM

 

SOMMAIRE

1. Historique et fabrication de l'aluminium.

2. Avantages techniques et économiques.

3. Influence des éléments d'alliage.

4. Influence des conditions de fabrication - Etats métallurgiques.

5. Caractéristiques typiques des alliages et des états de livraison.

6. Classement des alliages suivant leur utilisation.

7. Formes de produits - Définitions.

8. Technologies de mise en oeuvre.

9. Précautions d' emploi.


 

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'illustrent les chiffres suivants :

Année

Production mondiale (tonnes)

  1886

  13

 1890

 200

 1900

 5 700

 1910

 44 350

 1920

 121 000

 1930

 269 000

 1940

 810 000

 1950

 1 507 000

 1960

 4 624 000

 1970

 10 307 000

 1980

 16 000 000

 1999

 28 000 000

 

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 :

40 - 60 %
 silice :

2 - 12 %
 oxyde de fer :

18 - 25 %
 oxyde de titane :

2 - 4 %
 eau :

10 - 15 %


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.

Sommaire

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

  0,53
 Magnésium

  1,74
 Aluminium

 2,70
 Titane

 4,51
 Fer

 7,86
 Cuivre

 8,96
 Plomb

 11,40

 

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 :

 -196°C

  160 MPa

 -80°C

 95 MPa

 -30°C

 85 MPa

 20°C

 80 MPa

 100°C

 60 MPa

 200°C

  30 MPa

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.

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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.

 France

 ISO
CEN

 Allemagne

USA 

 Grande Bretagne

 Nouveau

 Ancien

 Nouveau

 Ancien

 1000 : aluminium sans élément d'addition

 1050A

 A5

Al99.5

 Al99.5

 3.0255

 (1050)

 1B

 1050A

 1070A

 A7

 Al99.7

 Al99.7

 3.0275

 (1070)
-
-

1080 

 A8

 Al99.8

 Al99.8

 3.0285

 1080

 1A

 1080A

 1200

 A4

 Al99.0

 Al99

 3.0205
-

1C 

 1200

 2000 : aluminium + cuivre

 2011

 AU5PbBi

 AlCu6BiPb

 AlCuBiPb

 3.1655

 2011

 FC1

 2011

 2014

 AU4SG

 AlCu4SiMg

 AlCuSiMn

 3.1255

 2014

 (H15)

 (2014A)

 2017A

 AU4G

 AlCu4MgSi

 AlCuMg1

 3.1325

 (2017)
-
-

 2024

 AU4G1

 AlCu4Mg1

 AlCuMg2

 3.1355

 2024
-
-

 2030

 AU4Pb

 AlCuPbMg

 (AlCuMgPb)

 (3.1645)
-
-
-

 2618A

 AU2GN

 AlCu2MgNi
-
-

(2618) 

  H16

 2618A

 3000 : aluminium + manganèse

 3003

 AM1

 AlMn1Cu

 AlMnCu

 3.0517

 3003

 (N3)

 (3103)

 3004

 AM1G

 AlMn1Mg1

 AlMn1Mg1

 3.0526

 3004
-
-

 5000 : aluminium + magnésium

 5005

 AG06

 AlMg1

 (AlMg1)

 (3.3315)

 5005

 N41

 5005

 5052
-

 AlMg2.5

 AlMg2.5

 3.3523

 5052
-
-

 5056A

 AG5

 AlMg5

 AlMg5

 3.3555

 (5056)

 N6

 5056A

 5083

 AG4,5

 AlMg4.5Mn

 AlMg4.5Mn

 3.3547

 5083

 N8

 5083

 5086

 AG4MC

 AlMg4

 AlMg4Mn

 3.3545

 5086
-
-

 5454
-

 AlMg3Mn

 AlMg2.7Mn

 3.3537

 5454

 N51

 5454

 5754

 AG3M

 AlMg3

 AlMg3

 3.3535
-
-
-

 6000 : aluminium + magnésium + silicium

 6005A
-

AlSiMg 

 AlMgSi0.7

 3.3210

-
-
-

 6060

 AGS

 AlMgSi

 AlMgSi0.5

 3.3206

 (6063)

 (H9)

 (6063)

 6061
-

 AlMg1SiCu

 AlMg1SiCu

 3.3211

 6061

 H20

 6061

 6082

 ASGM0.7

 AlSi1Mg

 AlMgSi1

 3.3215

-

 H30

 6082

 7000 : aluminium + zinc + magnésium

 7020

 AZ5G

 AlZn4.5Mg1

 AlZn4.5Mg1

 3.4335

 (7005)

 H17

 7020

 7075

 AZ5GU

 AlZn6MgCu

 AlZnMgCu1.5

 3.4365

 7075
-

 7075

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.

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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 :

 Niveau de dureté

Etats écrouis 

 Etats restaurés

 Etats stabilisés

 Recuit

O
   

 1/8 dur

H11
 

 H31

 1/4 dur

H12
H13

 H22

 H32

 1/2 dur

H14
H15

 H24

 H34

 3/4 dur

H16
H17

 H26

 H36

 4/4 dur

H18

 H28

 H38

 extra dur

H19
   

 

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 :

 Opérations

Traitement au four 

Déformation à chaud 
Trempe + maturation

 T4

 T1
Trempe + écrouissage + maturation

 T3

 T2
Trempe + revenu

 T6

 T5
Trempe + sous-revenu

 T61

 T51
Trempe + sur-revenu

 T66

 T56
Trempe + sur-revenu désensibilisant à la corrosion sous contrainte

 T73
-
Trempe + sur-revenu désensibilisant à la corrosion exfoliante

 T76
-
Trempe + écrouissage + revenu

 T8

 T10
Trempe + revenu + écrouissage

 T9
-

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 produits des contraintes internes qui les déforment, et qui peuvent nuire à certaines applications ; les produits sont alors détentionnés 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 : détentionnement par traction sans aucun dressage complémentaire
après la traction.
Txx511 : détentionnement par traction suivi d'un dressage.
Txx52 : détentionnement par compression.
Txx54 : détentionnement par traction et compression combinées.

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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.

 Alliage

 Composition en %

 Masse volumique kg.dm-3

 Conductivité électrique %IACS

 Conductivité thermique W.m-1.K-1

Fe

Si

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Pb

 1050A
0,20 0,15            

 2,70

 62

 231

 2017A
  0,50 4,0 0,7 0,7      

 2,79

 34

 134

 2024
    4,3 0,6 1,5      

 2,77

 30

 120

 2030
    3,9 0,6  0,9     1,1

 2,82

 34

 135

 5083
      0,7 4,4 0,15    

 2,66

 29

 120

 5086
      0,4 4,0 0,15    

 2,66

 31

 126

 5754
      0,3 3,1 0,3    

 2,67

 33

 132

 6060
0,20 0,45     0,48      

 2,70

 52

 200

 6082
  1,00   0,7 0,9      

 2,71

 41

 174

 7075
    1,6   2,5 0,23 5,6  

 2,80

 33

 130

 

Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques des caractéristiques mécaniques, des propriétés de mise en oeuvre et des applications types de ces alliages.

Alliage

 Etat

 Caractéristiques mécaniques

 

 Résist. corrosion

 Aptitu. soudage

 Usina.

 Aptitu. déform.

 Aptitu. anodis.

Applications
 Rm MPa  Rp02 MPa  A%

 1050A

O

80

30

42

 A

 A

 C

 A

 A
Bâtiment, Cuisine

H24

115

80

25

 A

 A

 B

 B

 A

 2017A

T4

420

280

18

C

 D

 A

 C

 C
 Méca.Géné

 2024

T3

465

320

18

 C

 D

 B

 D

 C
 Aéro.

 2030

T3

450

390

10

 C

 D

 A

 C

 C
 Décolletage

5083

O

305

160
23

 A

 A

 C

 B

 A
 Chimie,cryo transport

H116

335

230

20

 A

 A

 B

 B

 A

5086

O

278

135

25

 A

 A

 C

 B

 A
Chimie, cryo C. navale
H22

310

225

18

 A

 A

 B

 D

 A

 5754

O

220

100

23

 A

 A

 C

 B

 A
 Chaudron., marine

H24

270

215

10

 A

A

 B

 D

 A

 6060

T5

220

190

16

A

 B

 C

 C

 A
 Bâtiment

 6082

T6

315

280

12

 A

 B

 C

 C

 A
 Transport

 7075

T6

565

495

11

 C

 D

 B

 D

 B
 Aéro

A : très bon - B : bon - C : moyen - D : mauvais, à déconseiller

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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 résistant 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

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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 livrés enroulés 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 tôles 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.

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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 :

 Alliages

 Outil acier rapide

 Outil carbure

 1000, 3000, 5000

 800 à 1000

 supérieure à 1000

 2000, 7000

 600 à 800

 1000

 2014A, 5056A, 5086, 6082

 400 à 600

  600 à 800


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.

 Famille d'alliage

 Recuit

 Restauration

 Mise en solution

 Revenu

 1000

 325-360°C

 225-280°C
-
-

 2000

 375-410°C refroidissement lent (40°C/h)
-

 475-530°C

 160-190°C

 3000

 345-400°C

250-300°C

-
-

 5000

  345-380°C

240-280°C

-
-

 6000

 365-410°C refroidissement lent (40°C/h)
-

 530-535°C

 165-185°C
 7000

 375-410°C refroidissement lent (40°C/h)
-

 450-465°C

 100-177°C

 

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.

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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 ...

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