Alliages d’aluminium : quels sont les plus importants et à quoi servent-ils ?

L’aluminium est un métal à la mode. Ses principales caractéristiques, telles que sa résistance et sa légèreté, en font un métal de plus en plus intéressant et parfois indispensable pour de nombreuses industries. Le processus qui va du gisement à notre canette de soda, au encadrement de notre fenêtre, à la batterie de notre voiture électrique ou à l’avion qui nous emmène en vacances, parmi tant d’autres endroits où on le trouve, est marqué par deux circonstances : que malgré étant l’un des éléments les plus présents sur Terre, il n’est économiquement viable que de l’extraire du minerai de bauxite et sa forme pure n’est pas utile dans l’industrie, ce sont les alliages d’aluminium qui sont utilisés. Après nos articles liés à l’aluminium (son recyclage et ses utilisations), nous vous présentons dans cet article les alliages les plus importants de ce matériau.

Où se trouve l’aluminium ?

L’aluminium est l’un des éléments chimiques les plus abondants de la croûte terrestre, plus précisément le troisième après l’oxygène et le silicium, et le cinquième en tonnes extraites des gisements minéraux. Cependant, tous les minerais d’aluminium ne sont pas économiquement viables à extraire : pratiquement tous sont produits à partir de bauxite, une roche sédimentaire à forte teneur en aluminium que l’on trouve généralement dans les climats tropicaux et subtropicaux humides. Ainsi, les principaux pays extracteurs de bauxite sont l’Australie, la Chine, la Guinée et l’Inde.

Le fait qu’uniquement l’extraction de la bauxite soit économiquement viable pour produire de l’aluminium est due au fait qu’elle peut être facilement soumise à un processus de lixiviation : l’aluminium est déplacé par le mouvement de l’eau dans le sol, qui peut être réalisé de manière simple dans un climat humide tel que tropical ou subtropical. Après cette lixiviation, l’aluminium passe par d’autres phases, comme la précipitation dans une solution sous forme de dioxyde d’aluminium, qui est ensuite calciné pour obtenir de l’alumine. Tout ce processus s’appelle le processus Bayer.

Suivant le procédé Bayer, l’alumine doit être fondue, se dissolvant dans un bain de cryolite fondue qui élimine l’aluminium fondu par électrolyse. Cette partie s’appelle le processus Hall-Héroult.

Les principaux pays qui produisent de l’aluminium à partir de la bauxite, c’est-à-dire qui réalisent cette dernière transformation, sont normalement des pays où l’électricité est moins chère, car l’électrolyse entraîne une forte consommation d’énergie. Ainsi, le recyclage de l’aluminium (dont nous parlons dans cet article) est devenu incontournable pour l’avenir. Parmi ces pays, nous pouvons trouver le Canada, où l’électrolyse nécessaire est réalisée grâce à l’énergie hydroélectrique, mais aussi la Chine, l’Inde et la Russie (respectivement en première, deuxième et troisième place, juste avant le Canada).

Le processus de production de l’aluminium, cependant, ne s’arrête pas là. Après ces phases, un processus d’alliage avec d’autres métaux est nécessaire pour pouvoir l’utiliser pour différents usages industriels.

Qu’est-ce qu’un alliage d’aluminium ?

Sûrement, le concept « alliage » n’est pas inconnu pour la plupart d’entre nous. C’est un mélange de matériaux métalliques, dans ce cas, un alliage d’aluminium est un mélange d’aluminium avec d’autres métaux. Mais entrons dans le domaine plus technique et voyons en quoi consiste exactement un alliage.

Le terme « alliage » est réservé uniquement au mélange de deux ou plusieurs matériaux tant que l’un d’entre eux, au moins, est un métal. Une autre caractéristique déterminante d’un alliage est qu’il doit avoir été forgé dans un but humain. En d’autres termes, nous ne trouvons pas d’alliages dans la nature qui se produisent spontanément, ce sont toujours des processus qui passent entre les mains des gens. Le mélange d’éléments dans la bauxite, par exemple, ne peut pas être considéré comme un alliage. En plus, c’est aussi une condition d’un alliage qui conserve toutes les propriétés du métal dans le matériau résultant (conductivité électrique, ductilité, brillance, opacité…), et peut également se traduire par des propriétés supplémentaires, telles qu’une plus grande résistance ou dureté qu’ils avaient les métaux d’origine. C’est-à-dire pour résumer :

• Il doit contenir au moins un métal dans le mélange
• Il est produit par des personnes, ils ne surgissent pas spontanément dans la nature
• Il doit conserver les propriétés des éléments d’origine
• Il peut entraîner des qualités supplémentaires à celles des éléments d’origine

Les alliages sont généralement définis par le pourcentage en masse de chaque matériau : par exemple, 93,6 % d’aluminium + 6,0 % de cuivre + 0,4 % de zirconium (ensemble, ils font 100 %) dans le cas de l’alliage d’aluminium 2004. Dans le cas d’études scientifiques fondamentales, ils sont généralement définis en fraction atomique : par exemple, Cu-27wt%Al dans le cas d’un alliage de cuivre et d’aluminium qui contient 27 % de son poids en aluminium et 73 % de son poids en cuivre.

Toujours un alliage et jamais à l’état pur

Contrairement au fer, qui est produit principalement pour s’allier avec du carbone pour fabriquer de l’acier mais qui est également utilisé à l’état pur (comme le fer forgé), l’aluminium n’est jamais utilisé à l’état pur car ses qualités ne sont pas intéressantes à l’usage. Pour cette raison nous appelons aluminium aux alliages d’aluminium et nous ne connaissons pas le nom de ses alliages les plus courants (dans l’industrie nous parlons bien de Duralumin, Magnalium, Birmabright…), parce que ce métal n’est pas conçu industriellement sans l’allier, ce qui est le cas pour d’autres éléments.

Les alliages d’aluminium sont très nombreux, au point qu’aujourd’hui des systèmes d’intelligence artificielle peuvent prédire les meilleures proportions, en anticipant les caractéristiques de l’alliage avant de le tester, comme l’explique cette étude.

Un monde d’alliages d’aluminium

Comme nous avons avancé, il existe d’innombrables alliages d’aluminium. C’est littéralement le cas, comme nous l’avons vu avec le système de prédiction automatique des alliages, puisque chaque variation en pourcentage des éléments dans le mélange, aussi petite soit-elle, conduit à un nouvel alliage. Cependant, les plus utilisés se situent autour de 50.

Les alliages sont classés à l’aide d’un système numérique qui les classe par séries de milliers (série 1000, série 2000, série 3000…). Chaque série est considérée comme une famille d’alliages ayant des caractéristiques communes (les éléments qu’ils contiennent).

Dans les familles (séries) de petits ajouts de chrome, titane, zirconium, nickel, etc. peuvent également être effectués.

Ci-dessous, nous listons les alliages les plus utilisés pour chaque série.

Série 1000

Alliage 1100 : au niveau commercial, c’est ce que l’on appellerait de l’aluminium pur, puisqu’il ne contient qu’un maximum de 0,1 % de cuivre et que le minimum des 99 % restants est de l’aluminium. Il peut également contenir de petites proportions de fer, de silicium, de zinc et de manganèse, entre autres.

Ses applications sont universelles, telles que la fabrication de vaisselle en métal, ainsi que dans l’industrie chimique et agro-alimentaire, car il est très facile à travailler et à souder en raison de sa ductilité et de sa souplesse et de sa conductivité thermique, bien qu’il ne supporte pas le traitement thermique pour durcir, il faut le faire à froid. Il maintient également une bonne conductivité électrique.

Série 2000

La série 2000, qui sont les variations de l’aluminium et du cuivre, est l’une des plus utilisées. Certains alliages à souligner sont :

Alliage 2011 : cet alliage, composé de cuivre (5,5 %), de bismuth (0,4 %) et de plomb (0,4 %), est apprécié pour sa haute résistance mécanique et son aptitude à l’usinage (notamment pour les projets réalisés avec des tours automatiques à pièces complexes et détails), étant facile à polir car il produit très peu de bavures.

Ses principales applications sont universelles, y compris les appareils électroménagers, l’automobile et l’artillerie, entre autres.

Alliage 2014 : est un alliage composé de cuivre (4,4 %), de silicium (0,8 %), de manganèse (0,8 %) et de magnésium (0,5 %), et comme l’alliage 2011, il est apprécié pour sa haute résistance et pour être idéal pour l’usinage.

Son utilisation principale est dans les applications aérospatiales structurelles en raison de sa résistance, bien qu’il soit utilisé universellement.

Alliage 2024 : Il s’agit de l’un des alliages d’aluminium à haute résistance les plus utilisés, connu depuis longtemps sous le nom de duralumin. Il associe cuivre (4,4 %), manganèse (0,6 %) et magnésium (1,5 %). Il a une tolérance d’usinage moyenne et ne peut être soudé que par friction.

Son bon rapport résistance/poids et sa haute résistance à la fatigue (les dommages qu’il peut tolérer sous charge) le rendent largement utilisé pour les applications qui bénéficient de ces qualités, par exemple, dans l’ingénierie aérospatiale. Il peut être revêtu d’autres matériaux tels que le zinc ou l’aluminium d’une pureté supérieure pour augmenter sa résistance à la corrosion, bien que cela puisse entraîner une perte de résistance à la fatigue.

Série 3000

Alliage 3003 : C’est l’alliage d’aluminium le plus utilisé de tous. Il se compose d’un aluminium qui, au niveau commercial, serait compris comme pur, avec un ajout de manganèse pour augmenter sa résistance (il a 20 % de résistance en plus que le grade 1100) et de cuivre (1,5 % et 0,12 % respectivement). Il se caractérise par une excellente résistance à la corrosion et à la maniabilité. Cette nuance peut être emboutie, tournée ou soudée.

Il est utilisé pour des applications universelles telles que l’emballage, des feuilles, des panneaux, la décoration générale, etc.

Série 4000

Ce sont des alliages d’aluminium et de silicium, dans lesquels le silicium peut aller de 0,6 à 21,5 %. Le silicium allié à l’aluminium abaisse son point de fusion et le rend plus fluide une fois fondu. Du magnésium ou du cuivre peuvent être ajoutés pour augmenter sa réactivité thermique, car le silicium ne peut pas être traité thermiquement. Ceci est intéressant dans les applications de soudage, c’est pourquoi ces alliages sont souvent utilisés comme matériau d’apport.

Série 5000

Alliage 5052 : Il s’agit d’un alliage d’aluminium, de magnésium (2,5 %) et de cuivre (0,25 %) non traitable thermiquement, avec une résistance supérieure à la plupart des autres nuances d’aluminium de ces caractéristiques, y compris la résistance à la corrosion par l’eau salée, très facile à travailler avec, permettant des formes très diverses. De petites quantités de cuivre, de fer, de manganèse, de silicium ou de zinc sont généralement ajoutées.

Ces caractéristiques le rendent largement utilisé dans les infrastructures marines sensibles aux failles, telles que les réservoirs des navires-citernes de gaz naturel liquéfié, ainsi que dans l’ingénierie aérospatiale et l’architecture (tuyauterie, réservoirs de carburant, lampadaires, etc.).

Série 6000

Alliage 6061 : parmi les alliages d’aluminium qui peuvent être traités thermiquement, c’est le plus polyvalent, car il conserve de nombreuses qualités de l’aluminium, comme sa résistance à la corrosion, il peut être fabriqué avec la plupart des techniques couramment utilisées, il a bonne maniabilité s’il est recuit et peut être soudé par n’importe quelle méthode. Il comprend du silicium (0,6 %), du magnésium (1,0 %), du cuivre (0,25 %) et du chrome (0,2 %), ce qui lui confère de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la corrosion.

Ces qualités rendent l’alliage idéal pour l’ingénierie aérospatiale, la marine, l’automobile, l’industrie alimentaire, des équipements sous vide, entre autres. Une liste plus complète d’applications peut être consultée dans cette entrée Wikipedia.

Alliage 6063 : est un alliage qui combine uniquement du silicium et du magnésium (0,4 % et 0,7 % respectivement), et possède des propriétés de traction (la contrainte interne subie par une pièce de matériau si deux forces lui sont appliquées dans des directions opposées, comme si nous “essorions » un chiffon avec nos mains), une haute résistance à la corrosion et de bonnes qualités de finition.

Ces propriétés le rendent très apprécié en architecture (moulures intérieures et extérieures). Contrairement au grade 6061, dans lequel elles sont rondes, les formes de tube et d’angle en alliage 6063 ont généralement des coins carrés.

Série 7000

Alliage 7075 : C’est l’un des alliages d’aluminium avec plus de résistance connus. L’alliage 2024 ayant un très bon rapport résistance/poids, il est idéal pour les pièces qui doivent être soumises à de fortes contraintes. Il est composé de 5,6 % de zinc, 2,5 % de magnésium, 1,6 % de cuivre et 0,23 % de chrome.

Ces qualités, associées à la faible densité, aux propriétés thermiques et à la capacité de polissage de l’aluminium, font que cet alliage soit surtout utilisé dans l’ingénierie aérospatiale.

Ferros Planes, avec la transition énergétique que représente l’aluminium

Chez Ferros Planes, nous travaillons avec des métaux tels que l’aluminium dans nos usinages pour les industries automobile, aérospatiale, aéronautique, de la construction et autres, engagés dans la réduction des émissions de CO2 et la transition énergétique.

Bibliographie et ouvrages d’intérêt :

• Understanding the alloys of aluminium
• Liste des alliages d’aluminium sur Wikipedia anglais

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