|
NOM : |
ALUMINIUM
ET ALLIAGES |
PJ |
Fabriqués industriellement depuis 1886 à partir
des bauxites (Al2O3, Al(OH)3) et de la cryolithe, ces
métaux sont les plus utilisés juste après les fontes et les aciers. Les
aluminiums et alliages, avec les magnésiums, sont classés dans la catégorie des
alliages légers et font partie des métaux dits structuraux (utilisés pour
fabriquer des bâtis...). Principales applications : transports
(aéronautique, automobile...), génie civil, génie électrique, containers,
emballages, composants mécaniques (fonderie...), etc. Par exemple, près de 70%
de la masse d'un avion de ligne est constitué d'aluminium.
|
Figure 1 |
Figure 2 |
Figure 3
Figure 4
1. Principales caractéristiques
· L'aluminium a un bas point de fusion (658°C), une ductilité élevée (A% 40%), est assez léger (densité 2,7), a de bonnes propriétés électriques (conductivité égale à 60% de celle du cuivre), une bonne conductibilité thermique (5 fois celle des aciers), un coefficient de dilatation thermique 1,5 fois celui des aciers et des propriétés réfléchissantes.
· E67 Gpa ; G27 Gpa ; 0,34. Sa structure cristalline est cubique à faces centrées.
· Il présente un bon rapport résistance/poids, ce qui explique les nombreuses applications dans le domaine des transports.
· Sa résistance à la corrosion est élevée car le métal, bien que très oxydable, se couvre, au contact de l'air, d'une couche d'oxyde protectrice (couche naturelle étanche d'alumine<0,1m). Les éléments d'addition diminuent plus ou moins cette résistance.
· Les alliages ont une bonne résistance mécanique pouvant être modifiée par écrouissage ou par recuit (adoucissement).
· Inconvénients : faibles résistances à l'usure et à la fatigue.
· Normes NF EN 485, 515, 573...
Figure
5
2. Mise en œuvre
Elle est assez facile par un grand nombre de
procédés : laminage, moulage, forgeage, formage, filage, étirage,
extrusion, métallurgie des poudres, usinage...
Le coefficient de dilatation important et la
grande conductivité thermique imposent, à cause des dilatations, certaines
précautions en soudage et en usinage. L'élasticité, assez élevée, peut être une
gêne dans certains cas d'usinages. La soudabilité (MIG, TIG...) dépend de la
trempe et du revenu pratiqués sur l'alliage.
3. Traitements thermiques
Ils sont tout à fait différents de ceux des
aciers. Après trempe, le durcissement est obtenu par vieillissement naturel ou
maturation à température ambiante, ou par revenu à température élevée.
Les alliages avec le cuivre, le silicium, le zinc
et ceux avec le magnésium plus le silicium sont dits trempants ; ils sont
dits avec durcissement structural.
L'aluminium pur, les alliages avec le manganèse
et le magnésium ne sont pas trempants ; ils sont dits sans durcissement
structural.
4. Traitements de surface
Les traitements de surface possibles sont
nombreux : traitements mécaniques (sablage, polissage...), chimiques
(décapage, brillantage...), par peintures (primaire + peinture), dépôts
électrolytiques (cuivrage, nickelage, cadmiage, chromage...), anodisation
(propre à l'aluminium, couche protectrice et décorative de 10 à 20 m).
Les aspects brillants peuvent être obtenus par
polissage mécanique, brillantage chimique ou électrolytique, les aspects mats
obtenus par brossage, sablage, satinage, décapage...
Anodisation : le traitement, en milieu
sulfurique (ou chromatique...), crée en surface une couche poreuse d'alumine (5
à 30 m) qu'il est possible de colorer. Après
coloration, la couche est colmatée (eau bouillante...), devient compacte,
continue, étanche, transparente et isolante ("électriquement").
5. Principales nuances normalisées
Deux grandes familles : les aluminiums
corroyés, obtenus par déformation plastique (laminage...) et les aluminiums
pour la fonderie. Les compositions et les microstructures des deux familles
sont assez différentes et chacune se divise en deux groupes : ceux pouvant
être traités thermiquement et ceux ne pouvant pas être traités ou non
trempants.
Figure 6
Figure 7
Les
aluminiums de pointe : les alliages aluminium plus lithium, "Al + Li",
pour l'aéronautique et l'espace, sont les plus récents (jusqu'à 4% de Li). La
masse volumique du lithium, la plus faible de tous les métaux, est de 0,534 kg
par litre (densité 0,534). De ce fait, ces alliages sont environ 10% plus
légers que les autres. Lorsqu'on ajoute 1% de Li, la densité diminue de 3% et
la résistance augmente de 6% ainsi que le module d'élasticité. La maturation
est possible. Applications : planchers, carlingues et pièces de structure
d'avion.
6. Aluminium et alliages corroyés
Cette famille, la plus utilisée, comprend tous
les produits laminés d'usage courant : barres, profilés, tôles, plaques,
bandes ; les produits filés et étirés ; les fils ; les produits
forgés ou destinés à la forge, etc. Sont exclus : les produits moulés, les
lingots de refusion, les composites utilisant l'aluminium et ceux issus de la
métallurgie des poudres.
Les séries 1*** , 3*** , 5*** et la plupart des
4*** ne peuvent pas être traitées, sont dites non trempantes ou sans
durcissement structural. Cependant, leurs caractéristiques peuvent être
modifiées par écrouissage ("durcissement mécanique") ou par
modification de la grosseur du grain. De plus, comme la solubilité des éléments
d'alliage est faible dans l'aluminium à température ambiante, leur capacité de
durcissement par mise en solution ou maturation est très limitée.
Les séries 2*** , 6*** et 7*** peuvent être
traitées et sont dites trempantes ou avec durcissement structural. Bien qu'il
soit possible d'avoir un bon rapport résistance/poids avec ces alliages, leur
capacité à précipiter ou à se transformer reste modérée. De plus, en
utilisation au-dessus de 175°C les traitements disparaissent.
Figure 8
Désignation
(norme internationale) : elle est effectuée par un nombre à quatre
chiffres, avec EN AW comme préfixe (EN pour norme européenne, A pour aluminium,
W pour corroyé), éventuellement suivi par le symbole chimique de l'alliage
placé entre crochets.
Exemples :
EN AW-1050 A [Al 99,5] est un aluminium pur à
99,50%,
EN AW-1100 [Al 99,0] un aluminium pur à 99,00%
avec contrôle d'impuretés,
EN AW-5086 [Al Mg 4] est un alliage d'aluminium
avec 4% de magnésium,
EN AW 2017 [AlCu4MgSi] ("duralumin ou
A-U4G")) est un alliage avec 4,5% de cuivre contenant aussi du manganèse
(0,5%), du magnésium (0,5%)...
|
Alliages
d'aluminium corroyés : extrait de nuances Tableau 7 |
||||||||||
|
R.C.: résistance à la corrosion A.O.: aptitude à l'anodisation A.S.: aptitude au soudage U.: usinabilité |
*** : excellente ** : bonne * : moyenne - : faible |
|||||||||
|
Désignations |
état |
Rr Mpa mini |
Re0,2 Mpa mini |
A% |
R.C. |
A.O. |
A.S. |
U |
Observations |
|
|
Aluminium pur : série 1000 ; E
= 67 GPa ; famille non trempante ou sans durcissement structural |
||||||||||
|
EN AW-1050A[Al 99,5] (1050A) |
O H12 H14 H18 |
65 85 105 140 |
20 65 85 120 |
20-35 2-9 2-6 1-2 |
*** |
*** |
*** |
- |
génie chimique; bâtiment;
alimentaire; emballages filés; feuilles fines; électroménager;
emboutissage... |
|
|
EN AW-1080A[Al 99,8] et EN
AW-1070A[Al 99,7] (1070A et
1080A) |
O H12 H14 H18 |
60 80 100 125 |
15 55 70 105 |
26-35 5-12 4-7 2 |
*** |
*** |
*** |
- |
génie chimique; pièces de
décoration; alimentaire... |
|
|
EN AW-1100[Al 99,0Cu] et EN
AW-1200[Al 99,0] (1200 et
1100) |
O H12 H14 H18 |
75 95 115 150 |
25 75 95 130 |
19-33 2-8 2-6 1-2 |
*** |
*** |
*** |
|
idem 1050A; aluminium du
commerce; alimentaire; tubes; composants électriques |
|
|
Aluminium + cuivre
: série 2000 ; E = 74GPa ; alliages trempants ou avec durcissement structural |
||||||||||
|
EN AW-2014[Al Cu4SiMg] (2014) |
O T3 T4 T6 |
220 395 400 440 |
140 245 250 390 |
12-16 14 14 6 |
- |
* |
** |
** |
hautes caractéristiques; cycles; aéronautique; pièces épaisses; pièces extrudées;... |
|
|
EN AW-2017A [Al Cu4MgSi] (2017 ou
2017A) |
O T4 |
225 390 |
145 245 |
12-13 13-14 |
- |
** |
** |
** |
mieux à la corrosion que 2014; cycles, automobile, horlogerie, rivets, pièces forgées. |
|
|
EN AW-2024[Al Cu4Mg1] (2024) |
O T4 |
220 435 |
140 275 |
12-13 12-14 |
- |
* |
** |
** |
Plus résistant que le 2017;
tôles épaisse pour usinage; très utilisé en aéronautique... |
|
|
EN AW-2090 [Al Cu2,7Li2,4] (2090) |
T6 |
550 |
517 |
6 |
|
|
|
|
hautes résistances; légèreté
grâce au Li; carlingues d'avion |
|
|
Aluminium +
manganèse : série 3000 ; E = 67 GPa ; alliages non trempants ou sans durcissement
structural |
||||||||||
|
EN AW-3003[Al Mn1Cu] (3003) |
O H12 H14 H18 |
95 120 145 190 |
35 90 125 170 |
15-24 3-7 2-5 1-2 |
*** |
** |
*** |
** |
mêmes applications que 1050A
et 1100 en légèrement plus résistant et moins ductile; alimentaire;
feuilles... |
|
|
EN AW-3005 [Al Mn1Mg0,5] (3005) |
O H12 H14 H18 |
115 145 170 220 |
45 125 150 200 |
12-19 3-5 1-3 1-2 |
*** |
** |
*** |
** |
idem 3003 avec de meilleures
caractéristiques mécaniques. (3004 est un peu mieux que 3005);
architecture... |
|
|
Aluminium +
silicium : série 4000 ; E = 70 GPa ; alliages trempants ou avec durcissement
structural |
||||||||||
|
EN AW-4006[Al Si1Fe] (4006) |
O H12 H14 T4 |
95 120 140 120 |
40 90 120 55 |
17-25 4-5 3 21 |
* |
* |
* |
* |
pièces forgés ou embouties;
poêles, autocuiseurs, casseroles... |
|
|
Aluminium +
magnésium : série 5000 ; E = 70 GPa ; alliages non trempants ou sans
durcissement structural |
||||||||||
|
EN AW-5005[Al Mg1] (5005) |
O H12 H14 H18 |
100 125 145 185 |
35 95 120 165 |
15-24 2-7 2-5 1-2 |
*** |
*** |
*** |
* |
chimie; bâtiment (panneaux
de façade et de couverture); alimentaire; chaudronnerie; emboutissage |
|
|
EN AW-5052[Al Mg2,5] (5052) |
O H12 H14 H18 |
170 210 230 270 |
65 160 180 210 |
12-19 4-10 3-5 2-3 |
*** |
*** |
*** |
* |
bon Rr, Re et bonne
résistance à la fatigue; applications comme 5005; feuilles et panneaux
résistants... |
|
|
EN AW-5754[Al Mg3] (5754) |
O H12 H14 H18 H22 H24 |
190 220 240 290 220 240 |
80 170 190 250 130 160 |
12-18 4-9 3-5 2-3 7-10 6-10 |
*** |
*** |
*** |
** |
chemin de fer, marine,
automobile, génie électrique, bâtiment (panneaux), citernes de transport,
alimentaire, chimie, pièces forgées |
|
|
EN AW-5086[Al Mg4] (5086) |
O H12 H14 H18 H22 H24 |
240 275 300 345 275 300 |
100 200 240 270 185 220 |
11-17 3-7 2-4 1 5-10 4-8 |
*** |
** |
*** |
** |
comme 5754 en légèrement
plus résistant et moins ductile. panneau; marine; chemin de fer; citernes
routières; cryogénie; pièces forgées. |
|
|
Aluminium +
silicium + magnésium : série 6000 ; E =70 GPa : alliages trempants |
||||||||||
|
EN
AW-6061[Al Mg1SiCu] (6061) |
O T4 T6 |
150 205 290 |
85 110 240 |
14-19 12-18 6-10 |
*** |
*** |
*** |
* |
résistance à la corrosion;
chimie; alimentaire; fûts; pots; emballages; pièces "épaisses";
pièces de structure; canoës... |
|
|
EN
AW-6082[Al Si1MgMn] (6082) |
O T4 T6 |
150 205 310 |
85 110 260 |
14-18 12-15 6-10 |
*** |
*** |
*** |
* |
comme 6061 en légèrement
plus résistant et un peu meilleur à l'anodisation |
|
|
Aluminium + zinc :
série 7000 ; E = 7200 Gpa ; alliages trempants ou avec durcissement
structural |
||||||||||
|
EN AW-7020[Al Zn4,5Mg1] (7020) |
O T4 T6 |
220 320 350 |
140 210 280 |
12-15 11-14 7-10 |
** |
** |
** |
** |
charpentes, structures
soudées; pièces "épaisses"; armement (blindage, caissons...);
pièces forgées... |
|
|
EN AW-7075[AlZn5,5MgCu] (7075) |
O T6 T76 T73 |
275 525 500 460 |
145 460 425 385 |
10 6-8 7-8 7-8 |
* |
** |
* |
** |
pour hautes résistances
(plus résistant mais moins ductile que 2024); pièces extrudées et forgées ;
boulonnerie; cycles; aéronautique (armatures d'avion); armement... |
|
|
entre parenthèses ancienne
désignation AFNOR |
||||||||||
7. Aluminium et alliages pour la fonderie
La plupart des nuances sont faciles à mouler
(moule métallique permanent ou moulage sable) en moyenne ou en grande série et
en pièce unitaire.
Inconvénient : grand retrait au moulage (3,5
à 8,5% en volume) qui peut être minimisé par un bon tracé de la pièce.
Beaucoup des alliages usuels contiennent
suffisamment de silicium pour entraîner une réaction eutectique, ce qui donne
aux alliages un bas point de fusion, une bonne fluidité et une bonne
moulabilité.
Le moulage en moule métallique ("en
coquille", sous pression...) amène un refroidissement plus rapide que les
autres procédés (sable...), ce qui provoque un affinage du grain et une
amélioration des propriétés mécaniques.
Les additions de bore et de titane provoquent
également un affinage du grain. Le cuivre, le magnésium et le zinc engendrent
ou favorisent le phénomène de maturation.
Désignation
(norme internationale NF EN 1780) : préfixe EN ; espace ; lettre A (pour
aluminium) ; lettre B (pour lingots de refusion) ou C (pièces moulées) ou
M (alliages mères) ; un tiret ; cinq chiffres représentant la
composition de l'alliage et/ou les symboles chimiques donnant la composition de
l'alliage ordonnés par teneur décroissante et limités à 4 éléments.
Exemples :
EN AB-Al 99,8 : lingot pour refusion en
aluminium pur à 99,8%.
EN AB-Al 99,7 E : lingot pour refusion en
aluminium pur à 99,7% pour usage électrique (E).
EN AB-45400 [Al Si5Cu3] ou EN AB-Al Si5Cu3 ;
lingot pour refusion en alliage d'aluminium avec 5% de silicium et 3% de cuivre
(ancien A-S 5U3).
EN AC-Al Si12CuMgNi : alliage d'aluminium
pour pièces moulées avec 12% de silicium, du cuivre, du magnésium et du nickel.
EN AM-Al Sr10Ti1B0,2 : alliage mère
d'aluminium avec 10% de strontium, 1% de titane et 0,2% de bore.
EN AB-Al Si9Cu3(Fe)(Zn) : lingot pour
refusion en alliage d'aluminium avec 9% de silicium, 3% de cuivre et des
impuretés (fer et zinc).
Figure 9
Ancienne
désignation Afnor : (commune à la plupart des métaux et alliages non
ferreux) : encore régulièrement utilisée, elle se compose du symbole
métallurgique du métal de base, un tiret de séparation suivi des principaux
éléments d'addition (en ordre décroissant) avec la teneur correspondante.
Exemple :
A-S9U3 : alliage d'aluminium avec 9% de
silicium et 3% de cuivre.
Figure
10
|
Alliages
d'aluminium pour la fonderie : extrait de nuances Tableau 8 |
|||||||
|
Désignations* |
Etat |
Rr MPa |
Re0,2 MPa |
A% |
Résistance aux chocs |
Résistance à 200°C |
Observations |
|
Nuances pour usage
général |
|||||||
|
EN AC-Al99,5 (A5) |
Y20 |
80 |
35 |
30 |
|
|
haute conductivité électrique; résistance à la corrosion |
|
EN
AC-AlSi5Cu3Mn EN AC-45200 (A-S5U3M) |
Y20 Y30 Y33 |
140 160 280 |
70 80 230 |
1 1 <1 |
* |
- |
pièces de mécanique, moulage de précision |
|
EN
AC-AlSi5Cu3 EN AC-45400 (A-S5U3) |
Y20 Y30 Y33 |
140 170 230 |
- 100 110 |
- 1 6 |
* |
|
souvent utilisé; pièces de mécanique générale moulées en coquille; |
|
EN
AC-AlSi8cu3 EN AC-46200 (A-S8U3) |
Y20 Y30 |
150 170 |
90 100 |
1 1 |
* |
|
pièces diverses: automobile, blocs, carters; variante souvent utilisée: A-S9U3 |
|
EN
AC-AlSi7Mg EN AC-42000 (A-S7G) |
Y20 Y23 Y30 Y33 |
140 220 170 260 |
80 180 90 220 |
2,0 1 2,5 1 |
*** |
** |
pièces mécaniques diverses, moulage de précision; bonne résistance à la corrosion; aéronautique |
|
EN
AC-AlSi9Mg EN AC-43300 (A-S9G) |
Y20Y30+T6 |
140 160 290 |
210 |
1 2 2 |
** |
- |
nuance souvent utilisée; pièces mécaniques diverses |
|
EN
AC-AlSi10Mg EN AC-43000 (A-S10G) |
Y20 Y23 Y30 Y33 |
150 220 180 260 |
80 180 90 220 |
2 1 2,5 1 |
*** |
** |
variante de la nuance précédente, bonne résistance à la corrosion |
|
EN
AC-AlSi12 EN AC-44100 (A-S12) |
Y20 Y30 |
150 170 |
70 80 |
5 6 |
*** |
- |
souvent utilisé; pièces diverses peu épaisses; moulage de précision |
|
EN
AC-AlSi12Cu EN AC-47000 (A-S12U) |
Y20 Y30 |
150 170 |
80 90 |
1 2 |
*** |
- |
nuance souvent utilisée; pièces diverses peu épaisses |
|
Nuances pour hautes résistances mécaniques |
|||||||
|
EN
AC-AlCu4MgTi EN AC-21000 (A-U4GT) |
Y24 Y34 |
300 320 |
200 220 |
5 8 |
**** |
*** |
pièces mécaniques diverses; moulage de précision; variante: A-U4T |
|
EN
AC-AlSi7Mg0,6 EN AC-42200 (A-S7G0,6) |
Y23 Y33 |
250 320 |
210 240 |
1 3 |
*** |
** |
moulage de précision; pièces pour l'industrie aéronautique |
|
Nuances pour usages
particuliers |
|||||||
|
EN
AC-AlSi12CuNiMg EN AC-48000 (A-S12UNG) |
Y35 |
190 |
150 |
<1 |
* |
**** |
pièces travaillant à chaud comme les pistons... |
|
EN
AN-AlSi2MgTi EN AC-41000 (A-S2GT) |
Y20 Y23 Y30 Y33 |
140 240 170 260 |
70 180 70 180 |
3 3 5 5 |
** |
** |
pièces pour la décoration ou pièces de présentation |
|
EN AC-AlMg5 EN AC-51300 (A-G5) |
Y20 Y30 |
160 180 |
90 100 |
3 4 |
*** |
*** |
pièces résistant à la corrosion marine ou chimique; moulage de précision |
|
EN
AC-AlZn5Mg EN AC-71000 (A-Z5G) |
Y29 Y39 |
190 210 |
120 130 |
4 4 |
**** |
|
bonne résistance à la corrosion |
|
Nuances pour
moulage sous pression |
|||||||
EN
AC-AlSi8cu3 EN AC-46200 (A-S8U3) |
Y40 |
230 |
110 |
1 |
* |
|
pièces diverses: automobile, blocs, carters... Variante:
A-S9U3 |
|
EN AC-AlSi9 (A-S9) |
Y40 |
220 à 270 |
- |
3 à 7 |
*** |
|
pour pièces nécessitant un allongement A% élevé |
|
EN
AC-AlSi12 EN AC-44100 (A-S12) |
Y40 |
210-280 |
- |
1-3 |
** |
- |
pièces diverses si risque de corrosion |
|
EN
AC-AlSi12Cu EN AC-47000 (A-S12U) |
Y40 |
170 |
90 |
2 |
* |
|
pièces diverses; moulage de précision |
|
EN AC-AlMg5 EN AC-51300 (A-G5) |
Y40 |
180 |
100 |
4 |
*** |
*** |
pièces résistantes à la corrosion marine... variante: A-G6 |
|
* entre parenthèses ancienne désignation AFNOR 1 Mpa = 1N/mm² |
|||||||
8. Recyclabilité
Comme pour la plupart des métaux, elle est
généralement relativement facile. Une fois les peintures éliminées
(chauffage...) le principal problème est souvent de trier ou séparer des
nuances différentes.
|
Erreur ! Signet non défini. Exemple : "can" ou boîte d'emballage type "cola cola". Ces boîtes sont constituées de deux nuances d'aluminium différentes. Par exemple, un 3004 (Al + Mn) pour le corps cylindrique, plus malléable et facilement déformable ; et un 5181 (Al + Mg) pour la partie couvercle avec levier d'ouverture, et plus dure que la précédente. La séparation peut être réalisée à basse
température, le 5182, moins ductile, se brisera en plus petits morceaux que
le 3004 qu'il sera ensuite assez aisé de trier. Il est également possible,
après avoir fondu ensemble les deux nuances, d'insuffler un gaz (chorine) à
travers le métal liquide afin de la faire réagir avec le magnésium (forme un
chloride). Après réaction, le métal restant est sensiblement un 3004. Figure 11 |
|
