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Métaux et alliages non ferreux
Métaux et Alliages non ferreux
1. Introduction
En métallurgie, on donne beaucoup plus d’importance aux métaux ferreux et leurs alliages, car ils
représentent le plus grand tonnage de matériaux utilisés dans l’industrie. Cependant, les métaux et les
alliages non ferreux ont eux aussi des applications très intéressantes. Prenons l’exemple d’une cannette de
coca cola et discutons de la composition du matériau de cette boitte ? On peut deviner qu’elle est composée
de différents matériaux. Une chose que nous remarquons, une fois que nous avons fini par boire la boisson,
que la boite est devenue très légère et qu’on peut la déformer facilement à la main. Elle a l’air d’un matériau
métallique mais ce n’est pas de l’acier car il est lourd et difficile à déformer.
Si on analyse ce matériau on va s’apercevoir qu’il est composé essentiellement
d’Aluminium, c’est-à-dire, un alliage d’aluminium, il s’agit d’un alliage de métaux
non ferreux qui a la composition suivante : ̴ 97,4 % aluminium, 1 % magnésium, 1 %
manganèse, 0,4 % fer, 0,2 % silicium et un très faible pourcentage de cuivre. C’est
un exemple intéressant concernant les alliages de métaux non ferreux.
Actuellement, les boites de boissons sont fabriquées d’alliages d’aluminium et
cet alliage est obtenu le plus souvent par recyclage. Ce dernier, est une voie très
efficace pour la protection de l’environnement.
Métaux et alliages non ferreux
2. Limite des métaux ferreux
Comme nous l’avons déjà signalé dans l’introduction, les métaux et alliages ferreux sont largement les
plus utilisés dans la pratique industrielle. Ceci est dû aux avantages suivants :
1. Leurs propriétés mécaniques sont élevées en conservant, toutes choses égales par ailleurs, une
bonne ténacité. Pour cette raison, ce sont, en général, des matériaux très sûrs pour la réalisation de
structures fortement sollicitées.
2. Leur module d’élasticité est très élevé comparé à celui des autres matériaux. Ceci permet la
construction de structures rigides, c’est-à-dire présentant de faibles déformations sous l’effet des
contraintes.
3. De façon générale, le prix des alliages ferreux, et surtout celui des aciers au carbone, est
relativement faible. Ce sont des produits économiques.
Mais, les alliages ferreux ont des limites d’application. En effet, ils ont trois points faibles :
1. La densité du fer, de l’ordre de 7,8, est relativement élevée. Ceci conduit donc souvent à des
structures plus lourdes pouvant être un inconvénient pour certaines applications telles que
l’aéronautique par exemple. Ainsi s’explique la concurrence des alliages d’aluminium, de titane ou
des matériaux composites.
2. Leur conductivité électrique faible par rapport au cuivre, aluminium, etc.
3. Leur résistance à la corrosion, même à la corrosion atmosphérique, est, sans autre précaution
(galvanisation, peinture, aluminisation), relativement médiocre ; le fer «rouille ».
Métaux et alliages non ferreux
Les aciers inoxydables font l’exception ; ils sont exceptionnellement très résistants à la corrosion,
mais au prix d’additions d’éléments d’alliage.
Si on revient à la boite de Coca-Cola, la boisson est très acide, donc si on la verse sur un matériau
ferreux, on va constater qu’il se corrode facilement avec le temps. Mais, si on l’applique sur l’alliage
d’aluminium déjà cité plus haut, on aura une très bonne résistance à la corrosion.
Ainsi, la densité, la conductivité électrique et la résistance à la corrosion sont quelques-uns des
points les plus importants qui justifient pourquoi il faut aller vers les alliages non ferreux.
3. Classification des alliages métalliques
Dans cette partie nous allons présentés les métaux et leurs alliages légers. Parmi les métaux non
ferreux, l’aluminium est le métal le plus utilisé et le plus léger.
On classe les alliages métalliques en deux
branches : les alliages ferreux avec le fer
comme métal de base, tel que l’acier et la
fonte, etc. et les alliages non ferreux, où nous
allons parler de divers alliages légers comme
l’Aluminium, Zinc, Titane et leurs alliages et
également d’alliages plus lourds comme, les
alliages à base de cuivre, Cuivre, Nickel,
Cobalt, etc. et leurs alliages.
Métaux et alliages non ferreux
Aluminium
 Aluminium pur – densité (2,7 g/cm3)
 Point de fusion (660 °C)
 Point d’ébullition (2519 °C)
 Chaleur massique : 897 J/kg.K
 Module d’élasticité = 69 Gpa
 Résistance à la traction = 70 à 100 Mpa
 Couleur : Blanc–gris argenté
 Structure cristalline : structure cristalline à face centrée (CFC)
 Bonne résistance à la corrosion
 Conductibilité électrique et thermique élevée.
 L’aluminium est allié pour améliorer ses propriétés mécaniques.
 Application – A cause de leur bas point de fusion l’utilisation des
alliages d’Al aux hautes températures est très limitée.
 Transport (aéronautique, voitures, chemin de fer, etc.)
 Bâtiments, électrochimie, agroalimentaire, etc.
Aluminium
Aluminium pour le transport
Canettes en aluminium
Bloc moteur Yamaha en
alliage d’aluminium
4. Aluminium et ses alliages
4.1. Elaboration de l’aluminium
L'aluminium figure en quantité comme le troisième élément de l'écorce terrestre, après l'oxygène et le
silicium. Après avoir été longtemps considéré comme un métal précieux, il est maintenant le principal métal
non ferreux industriel.
Eléments chimiques Oxygène Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H P C
% poids dans la
croûte terrestre
46,71 27,69 8,07 5,05 3,65 2,75 2,58 2,08 0,62 0,14 0,13 0,094
Mn S Ba Cl Cr F Zr Ni
0,09 0,052 0,05 0,045 0,035 0,029 0,025 0,019
Tableau- Abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre
4.1.1. Le minerai
Bien que l'aluminium apparaisse généralement sous la forme de silicates, le seul minerai utilisé est la
bauxite (les premiers gisements furent découverts en 1831 par Pierre Berthier dans le village des Baux-de-
Provence en France, d’où son nom la bauxite). La bauxite est une alumine hydratée impure ; elle contient :
 45 à 60 % en masse d'oxydes d'aluminium hydratés : (Al2O3, nH2O).
 20 à 30 % d'oxyde de fer (III) hydraté, (Fe2O3, nH2O), qui donne sa couleur rouge au minerai,
 moins de 5 % de silice, (SiO2).
 moins de 3 % d’oxyde de titane, (TiO2) et d’eau.
Métaux et alliages non ferreux
Cette alumine se présente dans l'une des espèces minéralogiques suivantes :
 la Gibsite, (bauxites tropicales)
 et la Boehmite (bauxites européennes).
4.1.2. Production de la bauxite
En 2017, la production mondiale s’élevait à 296,109 millions de t de bauxite. Plus de 90 % des
réserves connues de ce minerai se situent dans 10 pays.
Minerai de Bauxite
Pays
Millions de
tonnes
Pays
Millions de
tonnes
Australie 87,90 Jamaïque 8,24
Chine 60,79 Russie 5,52
Guinée 42,70 Malaisie 4,86
Brésil 39,24 Kazakhstan 4,84
Inde 22,78 Arabie Saoudite 3,84
Métaux et alliages non ferreux
Source : « Commodity markets outlook« , World Bank
Les 10 premiers pays producteurs de bauxite en 2017
Métaux et alliages non ferreux
L'élaboration de l'aluminium, à partir de la bauxite, s'effectue en deux étapes distinctes :
Bauxite Alumine Al2O3 Aluminium
↓ ↓
Traitement Electrolyse
Physico-chimique
 Extraction de l'alumine Al2O3 des autres constituants du minerai (la bauxite). Industriellement, on utilise
le procédé Bayer mis au point en 1887.
 Electrolyse de l'alumine en sel fondu qui donne le métal aluminium.
4.1.3. Fabrication de l’alumine (Procédé Bayer)
Préparation du minerai
La bauxite est concassée et éventuellement broyée après séchage.
Attaque de la bauxite par la soude (NaOH) concentrée
Le minerai est attaqué par une solution de soude NaOH (Na+
(aq)+ HO−
(aq)) dans un réacteur sous une
pression de 10 bars à une température de 250°C.
La transformation de l’alumine par la solution de soude peut être décrite par la réaction d'équation
suivante :
Al(OH)3 + HO− → Al(OH)4
− ou Al2O3, 3H2O + 2HO− → 2Al(OH)4
−
Un très large excès de solution de soude dans le réacteur permet de rendre cette réaction quasi-totale.
a soude NaOH est une base et avec un pH > 10 l’aluminium est sous forme d’ions (aluminates) alors que le
fer est sous sa forme solide.
En fonction du pH on trouve les substances suivantes :
Métaux et alliages non ferreux
Séparation de l’aluminate de sodium et précipitation de l’alumine
La lessive est extraite des autoclaves pour être diluée afin d’obtenir une bonne concentration du reste de la
solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur claire dans laquelle
l’aluminium est dissous, elle est envoyée ensuite aux réservoirs de précipitation où s'effectue à 60°C.
D’après le graphique du pH, on constate qu’un abaissement du pH conduit à la précipitation de Al(OH)−
4 en
Al(OH)3. Or une dilution d’une solution très basique conduit à un abaissement du pH. Le refroidissement
permet d’abaisser la solubilité (précipitation ou cristallisation)
Al(OH)4
− → Al(OH)3
La cristallisation de Al(OH)3 pur, s’effectue très lentement. En cinq jours, il y a dépôt d’environ 60 % de
l’alumine contenue dans l’aluminate. Pour accélérer le processus de dépôt (de cristallisation), on introduit
dans la solution quelques grains de Al(OH)3.
A la fin, Al(OH)3 cristallisé, est aspiré et filtré de la lessive et séché, ensuite acheminé vers les fours rotatifs.
Le résidu de filtration subit l’opération de concentration par évaporation avant d’être utilisé comme soude
concentrée.
Métaux et alliages non ferreux
Schéma du procédé Bayer d’extraction de l’alumine de la bauxite
Métaux et alliages non ferreux
Calcination de l’alumine
L’alumine hydratée, après séchage, subit une calcination dans les fours rotatifs à une température de
1200°C, on obtient de l’alumine avec une teneur en Al2O3 de 99,2 à 99,5 %.
Préparation de l’alumine en laboratoire à partir de la bauxite
2. Mise en solution pour extraire l’alumine
1. Broyage de la bauxite
Métaux et alliages non ferreux
4.1.4. Fabrication de l’aluminium
L'alumine est un oxyde très stable qui ne peut pas être réduit par les réducteurs (tels que CO, H2 ou
C) habituellement utilisés en métallurgie. Il faut employer la réduction cathodique qui se produit dans
l'électrolyse.
Principe d’électrolyse
L’aluminium dit « de première fusion » est obtenu à partir de l’alumine par électrolyse du sel fondu.
La température de fusion de l’alumine étant très élevée (2040°C), on mélange l’alumine à de la cryolithe
(AlF3, 3NaF), ce qui a pour effet de diminuer considérablement la température de fusion du mélange
(960°C). Dans le sel fondu l’aluminium est sous la forme d’ions Al3+.
Comme exemple, on peut citer l’usine de production Alcan située à Dunkerque considérée comme la
plus grande usine d’électrolyse d’alumine de France. Elle comporte 264 cuves montées en série. La
tension globale aux bornes des cuves est U = 1110 V (soit environ 4 V aux bornes de chaque cuve) et
l’intensité du courant est I = 350 000 A.
La cathode de la cellule d’électrolyse est constituée par le creuset en graphite. L’anode est en
carbone.
L'alumine est dissoute dans le bain fluoré d'électrolyses à 960°C suivant la réaction (simplifiée)
suivante :
Al2O3 2Al3+ + 3O2-
Métaux et alliages non ferreux
Cuve d’électrolyse d’aluminium
Suivant le principe de l’électrolyse, un courant électrique continu circule entre l’anode (pôle +) et la
cathode (pôle -). L’aluminium se forme à la cathode, où il entre en coalescence dans une nappe
d’aluminium liquide, selon la réaction :
Al3+ + 3e- Al métal
En pratique, il faut plusieurs milliers d'ampères pour produire une quantité significative d'aluminium :
environ 7,65 kg d'aluminium par cellule par jour et par millier d'ampères.
À l’anode en carbone, le dioxyde de carbone gazeux se dégage sous forme de grosses bulles qui
s’échappent dans l’atmosphère. En effet, l'oxygène produit réagit avec le carbone de l'anode suivant la
réaction : 2O2- + C CO2 + 4e-
L’anode est donc brûlée par l'oxygène et doit être remplacée.
La coulée du métal s'effectue par siphonage sous vide. Il est coulé sous forme de lingots, de plaques ou
Métaux et alliages non ferreux
de billettes qui alimentent les usines de transformation. Les usines d'électrolyse comportent un grand
nombre de cuves montées en série (jusqu’à 250), ce qui implique un besoin très important en énergie
électrique. Cette énergie entre pour 25 % dans le prix de revient du lingot.
Pour une tonne d'aluminium, il faut : Pour obtenir 1900 kg d’alumine, il faut :
1900 kg d’alumine 5000 kg de bauxite
430 kg de carbone pur (anode) 210 kg de soude
30 kg de cryolithe 13 500 kg d'eau
13000 kWh en énergie électrique. 600 kg de fuel.
Raffinage de l'aluminium
L'aluminium sortant des cuves d'électrolyse a une teneur de l’ordre de 99,7 %. Un procédé den
raffinage électrolytique permet d'obtenir un métal à 99,99%.
Bilan énergétique
La consommation spécifique d’énergie a baissé de façon continue : voisine de 80000 kWh/t d’Al
produit en 1896, elle est de l’ordre de 13000 kWh/t d’Al actuellement. Le rendement Faraday est passé
lors de ces dix dernières années de 88% à 95%.
Métaux et alliages non ferreux
4.2. Production mondiale d’aluminium
La production mondiale s’élevait, en 2017, à 58,7 millions de tonnes d’aluminium. Les principaux pays
producteurs sont les suivants :
Source : « Commodity markets outlook« , World Bank
Production mondiale d’aluminium (2017)
(58,7 Millions tonnes)
4.3. Transformation en demi-produits
L’aluminium liquide, éventuellement allié avec différents éléments d’addition, afin d’obtenir l’alliage désiré,
est coulé par les procédés suivants :
• soit par le procédé de coulée semi-continue sous forme de plaques pour laminage ou de billettes pour filage
ou forgeage,
• soit par un procédé de coulée et laminage continu sous forme de fil machine de diamètre de 7 à 25 mm,
• soit directement dans des lingotières afin d’obtenir des lingots en aluminium ou alliages de moulage.
Métaux et alliages non ferreux
L’aluminium et ses alliages se prêtent particulièrement bien aux différents modes de transformation :
Laminage
Le laminage à chaud, entre 400 et 500°C, permet d’obtenir des tôles d’épaisseur supérieure à 2,5 mm.
Par laminage à froid ultérieur, on obtient des tôles, bandes de plus faible épaisseur pouvant aller, dans le
cas des feuilles minces, jusqu’à 6 μm.
La coulée continue permet d’obtenir directement des bandes d’épaisseur de 6 à 10 mm et de largeur de
2 m à partir du métal liquide, ceci sans passer par l’intermédiaire des plaques et de leur laminage à chaud.
Filage
Grâce à la bonne plasticité de l’aluminium et de ses alliages, le filage à chaud, sur presse, permet
d’obtenir en une seule opération des barres, tubes ou profilés, de sections et formes très variées. Des
opérations ultérieures d’étirage ou de tréfilage à froid permettent d’aboutir à des fils de faible diamètre
(quelques dixièmes de millimètres).
Semi-produits coulés, laminés, filés et étirés
Forgeage et matriçage
Effectué à partir de billettes ou de plaques, ce procédé
permet de réaliser des pièces de forme, à caractéristiques
améliorées, à bonne homogénéité interne, très utilisées dans
les industries de pointe : aéronautique, nucléaire, armement…
Moulage
Les pièces moulées représentent 25 % des utilisations de
l’aluminium. L’importance de ce procédé s’explique par le fait
qu’il permet d’obtenir des pièces à un prix compétitif, avec un
bon aspect esthétique, et avec des côtes suffisamment
précises, pour que l’usinage soit limité au minimum.
Métaux et alliages non ferreux
4.4. Transformation en produits finis – Mise en œuvre
Pour l’obtention de produits finis, plusieurs procédés de mise en œuvre bien adaptés à l’aluminium et
ses alliages sont utilisés :
• l’assemblage par des moyens tels que soudage, brasage, rivetage, collage…,
• la mise en forme à froid par pliage, chaudronnage, emboutissage, filage par choc..,
• l’usinage, le décolletage, les traitements de surface, etc.
4.5. Désignation des alliages d’aluminium
4.5.1. Caractéristiques principales de l’aluminium
L’aluminium est un métal particulièrement apprécié pour certaines de ses caractéristiques :
- Bas point de fusion (658°C) ; ductilité élevée (A – 40%) ;
assez léger (densité 2,7) ; bonne conductivité électrique ; bonne conductibilité thermique (5 fois celle des
aciers) ; coefficient de dilatation thermique 1,5 fois celui des aciers, propriétés réfléchissantes et
résistance à la corrosion élevée.
- Bon rapport résistance/poids, ce qui explique les nombreuses applications dans le domaine des
transports, comme l'aéronautique, par exemple.
Autres
Industrie agroalimentaire
Industrie électrochimique
Engineering
Industrie du bâtiment
Transport (aéronautique, naval,
chemin de fer, voiture, etc.)
0 10 20 30 40 50 60 70
 Secteurs d’application de l’aluminium
Métaux et alliages non ferreux
4.5.2. Classification des alliages d’aluminium
Pour de nombreux emplois il est nécessaire de recourir à des alliages d’aluminium présentant des
caractéristiques mécaniques plus élevées. Les raisons principales pour allier l’aluminium sont :
 Augmenter la résistance à la traction, la dureté et la résistance à l’usure ;
 Fluage ;
 Relaxation des tensions et de la fatigue.
Il est possible d’obtenir ses caractéristiques à travers des alliages binaires ou ternaires :
Al-Cu, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Zn, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Ni, Al-Cu-Zn, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn etc.
On distingue les deux grandes classes d’alliages d’aluminium suivantes :
• les alliages corroyés, produits obtenus par des procédés de déformation plastique à chaud ou à froid
tels que le filage, le laminage,
• les alliages de moulage, obtenus directement par fonderie. La désignation de ces alliages est faite
suivant des règles très précises que nous rappelons ci-après.
4.5.3. Désignation des alliages corroyés
1. Composition
La désignation, conforme à la norme Afnor NF EN 573 ainsi
qu’aux spécifications internationales de l’Aluminium
Association, est numérique à quatre chiffres dont le premier
chiffre indique la famille (ou série) à laquelle appartient
l’aluminium ou l’alliage d’aluminium (tableau).
Élément d’alliage Famille
Aucun 1000
Cuivre 2000
Manganèse 3000
Silicium 4000
Magnésium 5000
Magnésium et silicium 6000
Zinc (et cuivre) 7000Tableau – Familles d’alliages d’aluminium corroyés →
Les lettres EN A
Symboles
représentatifs des
alliages
d’aluminium
La lettre W
Symbole du
corroyage
W = wrought
Le premier chiffre
permet de classer
la famille de
l’alliage (tableau
ci-dessus)
Le deuxième chiffre
permet de déterminer
le nombre de
modification qu’à
subi l’alliage
Les 2 derniers chiffres
seront affectés en
fonction de la
composition chimique
exacte de l’alliage
Désignation numérique des alliages d’aluminium corroyé NF EN 573
EN AW – XXXX
N.B. Pour la classe 1, il s’agit d’aluminium affiné, les deux derniers chiffres indiquent le % de pureté en 1/100
de pour-cent au-delà de 99%. (Exemple 1090 = aluminium affiné à 99,9%).
Désignation numérique Désignation symbolique
EN AW – 1100 EN AW – 1100 [99,0%]
EN AW – 6061 EN AW – 6061 [Al Mg1 Si Cu]
EN AW – 2017 EN AW – 2017 [Al Cu4 Mg]
EN AW – 7020 EN AW – 7020 [Al Zn5 Mg]
EN AW – 5086 EN AW – 5086 [Al Mg4]
2. Exemple de normalisation des alliages d’aluminium corroyé
Equivalence entre la désignation numérique et symbolique
Métaux et alliages non ferreux
3. Différentes classes d’alliages d’aluminium corroyés
Série 1000 (aluminium)
Les différentes nuances de la série 1000 se distinguent par la présence plus ou moins importante
d'impuretés. Souvent, le troisième chiffre indique le degré de pureté en donnant la valeur de la
première décimale à ajouter à 99 % (exemple : l'alliage 1050 contient 99,5 % d'aluminium).
Parmi ces nuances, l'alliage 1050 est le plus représenté. Il est utilisé dans de très nombreuses
applications et souvent pour des applications de grande consommation : cuve, échangeur, en
bâtiment, emballage, matériel ménager.
Les alliages dits raffinés contiennent plus de 99,99 % d'aluminium. Ils trouvent leurs applications
principales dans l'industrie de l'électronique ou de l'optique : condensateur, microprocesseur mais
également dans la fabrication de pièces de réflexion.
Série 2000 (aluminium + cuivre)
L'élément d'alliage de la famille 2000 est le cuivre (Cu). Ils obtiennent leurs caractéristiques
mécaniques par durcissement structural. Ils sont caractérisés par de bonnes caractéristiques
mécaniques notamment à l'état trempé revenu ou maturé. C'est grâce à ces caractéristiques
mécaniques qu'ils ont été choisis pour les applications aéronautiques. Ils présentent également de
bonnes aptitudes de tenue à chaud et pour le décolletage.
Ces alliages ont de nombreuses applications en aéronautique et en mécanique. En général, ils sont
utilisés pour des pièces soumises à des contraintes.
Métaux et alliages non ferreux
Série 3000 (aluminium + manganèse)
L'élément d'alliage de cette série est le manganèse (Mn). Pour certains alliages de cette famille, le taux
de magnésium (Mg) est relativement important, on peut parler d'alliage aluminium-manganèse-magnésium
(Al-Mn-Mg). Le manganèse a pour effet d'augmenter les caractéristiques mécaniques.
L'alliage 3004 a une meilleure résistance mécanique grâce à l'apport de magnésium. Les applications de
ces alliages sont les emballages (boîte boisson, boîte de conserve), la chaudronnerie grâce aux bonnes
caractéristiques à l'emboutissage, l'électroménager, le bâtiment.
4.5.4. Désignation des alliages moulés (Fonderie)
1. Composition
La désignation alphanumérique, autrefois en usage en France, a été remplacée par une désignation
numérique, comme pour les alliages de corroyage, mais en 5 chiffres, suivant la norme Afnor NF EN 1780-1.
On trouvera au tableau ci-dessous la correspondance entre le premier chiffre et l’élément d’alliage.
Élément d’alliage Famille
Aucun 10000
Cuivre 20000
Silicium 40000
Magnésium 50000
Zinc (et cuivre) 70000
Tableau – Familles d’alliages d’aluminium moulés.
Métaux et alliages non ferreux
Désignation numérique des alliages d’aluminium moulé NF EN 1706
EN AC – XXXXX
Les lettres EN A
Symboles
représentatifs
des alliages
d’aluminium
La lettre C
Symbole du
moulage
C = cast
Le premier chiffre
permet de classer
la famille de
l’alliage (tableau
ci-dessus)
Le deuxième chiffre
permet de classer la
sous-famille de
l’alliage
Les 3 derniers chiffres
seront affectés en
fonction de la
composition chimique
exacte de l’alliage
Equivalence entre la désignation numérique et symbolique
Désignation numérique Désignation symbolique
EN AC – 21000 EN AC – 21000 [AlCu4MgTi]
EN AC – 45400 EN AC – 45400 [AlSi5Cu3]
EN AC – 43000 EN AC – 43000[AlSi10Mg]
EN AC – 51400 EN AC – 51400[AlMg5Si]
EN AC-71000 EN AC-71000[AlZn5Mg]
2. Exemple de normalisation des alliages d’aluminium moulé
Métaux et alliages non ferreux
4.6. Influence des éléments d’alliages d’aluminium
4.6.1. Alliages aluminium-silicium
Le diagramme d'aluminium montre l'existence de deux solutions solides α et β. La première contient
jusqu'à 1,65 % de Si, la seconde contient jusqu'à 3 % d'aluminium. Un eutectique existe à 12,7 % de Si.
Le silicium, Après traitement de modification des alliages Al-Si, a pour effet :
- d'améliorer la coulabilité
- de réduire l'aptitude à la retassure
- de diminuer le coefficient de dilatation
Diagramme Al – Si
D'une manière générale, les alliages Al-Si sont les alliages d'aluminium qui présentent les meilleures
propriétés de fonderie.
Exemple : Alpax (Alliage Al-Si de composition proche de l’eutectique , environ 13 % de silicium, il fond
donc à une température plus basse que l'aluminium (environ 577 °C contre 660 °C). Il est très utilisé en
fonderie.
Métaux et alliages non ferreux
4.6.2. Alliages aluminium-cuivre
Le diagramme d'équilibre Al-Cu fait paraître l'existence d'une solution solide α présente jusqu'à
5,65 % de Cu. L'eutectique se situe à 33 % de Cu. On remarque l'existence d'un composé défini Al2Cu.
Les alliages aluminium-cuivre utilisés dans l'industrie ne dépassent pas une proportion de cuivre
supérieure à 12 %.
Avantages
- le cuivre accroît les propriétés mécaniques et en particulier la dureté.
- la coulabilité est améliorée par rapport à l'aluminium pur pour des concentrations en cuivre
comprises entre 7 et 8 %.
Diagramme Al – Cu
Métaux et alliages non ferreux
4.6.3. Alliages aluminium-magnésium
Les alliages contiennent jusqu'à 12 % de magnésium. Il existe une solution solide α contenant jusqu'à
15 % de Mg à 450 °C.
Les alliages industriels Al-Mg ont tous pour constituant la solution solide α. Après traitement
d'homogénéisation ces alliages ont les propriétés suivantes :
- La coulabilité est moins bonne que pour les alliages précédents.
- Les alliages de magnésium sont recherchés pour leur bonne usinabilité mais surtout pour leur très
grande résistance à la corrosion.
Diagramme Al – Mg
Métaux et alliages non ferreux
 Exemple de pièces d’aluminium obtenues par moulage
Blocs moteurs en aluminium réalisés en alliage
AlSi9Cu3 par moulage sous pression
Hachoir à viande en aluminium
Pièces en aluminium obtenues par
Moulage sous pression
Titane
Titane
Montre en titaneBague en titane
 Titane pur – densité (4,5 g/Cm3)
 Point de fusion (1660°C)
 Point d’ébullition (3287°C)
 Chaleur massique : 520 J/kg.K
 Module d’élasticité = 107 Gpa
 Résistance à la traction = 150-500 Mpa
 Couleur : Blanc argenté
 Structure cristalline : Deux formes cristallines Ti(α) (HC)
au-dessous de 883°C et Ti(β) (CC) au-dessus de 883°C.
 Alliages de titane : Alpha, Alpha-Beta, Beta
 Le Titane est allié pour réduire le prix, augmenter la résistance
et stabiliser les phases.
 Phase α stabilisée par : Al, Ga, Ge, C, N
 Phase β stabilisée par : Mo, V, Ta, Nb, Mn, Fe, Cr, Co, Ni, Cu, Si
 Application – Composants à haute résistance et haute température,
Biomédicale, alliages à mémoire de forme, joaillerie, etc.
5. Titane et ses alliages
Métaux et alliages non ferreux
Pot d’échappement pour
moto en alliage de titane
Métaux et alliages non ferreux
5.1. Elaboration du titane
L’élément Titane (Ti) est le 9ème élément le plus abondant de la croûte terrestre. Il provient de deux
principaux minerais :
 Le rutile : forme naturelle du bioxyde de titane : TiO2 ;
 L’ilménite : c’est un titanate de fer impur : TiO3Fe ;
C’est un métal de transition léger, résistant, d’un aspect blanc métallique et qui résiste à la corrosion. Il est
principalement utilisé dans les alliages légers et résistants. Il possède à la fois les qualités d’élasticité et de
ductilité, il résiste très bien à la corrosion et se caractérise par une biocompatibilité comparable à celle de la
céramique sans toutefois présenter son caractère fragile.
C’est le TiO2 : blanc du titane qui constitue l’essentiel du marché aujourd’hui : excellent pigment d’un blanc
pur (oxyde du Titane).
5.2. Historique
 1790 : Le titane est découvert pour la première fois par Gregor dans des terrains sablonneux noirs.
Gregor lui donne le nom de ″Ménachanite″ ;
 1799 : Klaproth découvrit un nouvel oxyde identique à la ″ménachanite″ et lui donne le nom de ″Titane″
(du latin moderne ″Titanium″ dérivé de ″Titan″ s’inspirant de la mythologie grecque qui veut dire ″force″) ;
 1910 : Hunter obtint les premières quantités de ″Titane″ presque pur par réduction du tétrachlorure de
Titane (TiCl4) par le sodium (Na) ;
 1940 : Kroll (chimiste Luxembourgeois) met au point un procédé de production industrielle du Titane ;
Métaux et alliages non ferreux
5.3. Matières premières
Dans les minerais, le titane, oxydé, est le plus souvent associé au fer, également oxydé, sous forme
d'oxydes mixtes dans des ilménites, ce qui exclut la séparation purement physique des deux éléments. Les
minerais se présentent plutôt sous forme de roches dans l'hémisphère nord et de sables dans
l'hémisphère sud.
Les minerais de titane sont des minéraux lourds, de densité supérieure à 2,87. Provenant de l'érosion
de roches, ils se rassemblent sous forme de sables, présents en bordure de côtes (Australie, Afrique du
Sud, Inde, Kenya, Mozambique, Madagascar, Sénégal), sous une épaisseur d'une dizaine de mètres.
Minerai
L'ilménite, oxyde mixte de formule (TiO,FeO,Fe2O3) avec une teneur en TiO2 comprise entre 35 et
65 %. C'est le principal minerai de titane. Les ilménites de teneur élevée en dioxyde de titane, environ
60 %, peuvent être utilisées par le procédé au chlore.
Le rutile (TiO2) avec une teneur en TiO2 comprise entre 92 et 96 %. C'est un minerai plus rare, qui
accompagne, dans les gisements, l'ilménite.
Minéralurgie
Lorsque le minerai se présente sous forme de sables, en bord de mer, l'extraction a lieu à l'aide de
dragues flottantes. Dans le cas de dunes fossiles, de puissants jets d'eau permettent d'entraîner le
minerai.
Métaux et alliages non ferreux
Traitement du minerai
La première étape de traitement, après l'extraction, consiste à éliminer les impuretés organiques, les
argiles, le quartz et les autres minéraux légers. Cette opération est réalisée, en voie humide, par
tamisage, séparation par un hydrocyclone puis par gravité, à l'aide de séries de spirales qui permettent
d'éliminer, en particulier, le quartz. Ce triage gravimétrique utilise les différences de densité entre les
minéraux denses (4,5 à 5,0 pour l'ilménite, 4,2 à 4,3 pour le rutile, 4,7 pour le zircon) et les autres
minéraux présents, principalement le quartz de densité 2,65.
Le produit obtenu est un concentré de minéraux "lourds". Cette étape est réalisée sur le lieu de
l'extraction minière.
Une deuxième étape permet, à partir du concentré de minéraux lourds, de séparer, à sec, les divers
minéraux contenus : ilménite, rutile. Cette opération est effectuée à l'aide de procédés physiques
utilisant les différences de propriétés magnétiques et électriques des divers minéraux. Le rutile a une
faible susceptibilité magnétique contrairement à l'ilménite.
5.4. Métallurgie du titane
La production de l’éponge de titane passe par les étapes suivantes :
Minerai (ilménite ou rutile) TiO2 Eponge de titane Ti
Etape 1 : Production de TiO2
La réduction de TiO2 par des réducteurs tels que carbone, CO et H2 n’est possible que lorsqu’on opère à des
températures élevées (> à 2000°C) comme le montre le diagramme ci-dessous.
1 2 3
Métaux et alliages non ferreux
Pour cela, le procédé Kroll propose d’abord de produire le
tétrachlorure de titane, TiCl4, par carbo-chloration. Elle est
effectuée sous vide ou sous atmosphère inerte (argon) vers
800°C, en lit fluidisé. Le coke broyé est introduit au-dessus du
minerai où il brûle en élevant la température. Quand la
température de 800°C est atteinte, le dichlore est introduit et
la réaction suivante se produit :
TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) = TiCl4(g) + 2 CO(g)
minerai coke chlore tétrachlorure
Le tétrachlorure de titane, TiCl4, est extrait sous forme
gazeuse, sa température d'ébullition étant de 136°C, puis est
condensé, purifié par distillation (séparation des autres gaz : CO,
CO2, FeCl3, SiCl4, ..) et stocké à l'état liquide.
Le TiO2 est ensuite obtenu dans un réacteur vers 1000°C, par oxydation de TiCl4 en présence d’O2, où la
réaction exothermique :
TiCl4(g) + O2(g) = TiO2(s) + 2 Cl2(g) ∆H°298 K = - 762,3 KJ.mol-1
porte la température vers 1400°C.
Métaux et alliages non ferreux
Chine 3 250 Mexique 300
États-Unis 1 370 Australie 260
Allemagne 472 Arabie saoudite 210
Japon 314 Ukraine 120
Royaume-Uni 315 Inde 108
Production et utilisation de TiO2 pur
En 2018, la production mondiale de TiO2 est estimée à 6,72 millions de tonnes. La capacité annuelle de
production de TiO2 en milliers de tonnes de quelques pays est la suivante :
Source L’élémentarium
Le TiO2 est une poudre blanche qui est utilisé à 95% comme pigments. Il est le meilleur des pigments blancs.
En 2013, avec une consommation de 5,3 millions de t comme pigment, TiO2 est utilisé à 31% dans les
peintures pour bâtiments, 25% dans d'autres peintures, 24 % dans les matières plastiques et les
caoutchoucs, 8% dans le papier, 4% dans des encres, etc. Il aussi utilisé dans des dentifrices.
Etape 2 : Production de l’éponge de titane
Seulement 6 % de la production minière de titane sert à la fabrication de titane métallique.
L’obtention de l’éponge de titane se fait suivant le procédé Kroll. La réduction de TiCl4 et la purification se
fait à l’aide de magnésium (Mg).
Ce procédé présente l'inconvénient de fonctionner de façon discontinue. La difficulté de cette
métallurgie réside dans la nécessité d'opérer sous vide (ou sous argon), à haute température.
TiCl4(g) + 2Mg(liq) Ti(s) + 2MgCl2(liq)
Métaux et alliages non ferreux
Chine 70 000 Etats Unis 12000
Japon 52 000 Kazakhstan 9 000
Russie 40 000 Ukraine 8000
Le Titane solide, plus léger, surnage sur le chlorure liquide. Le chlorure de magnésium, est éliminé par
siphonnage.
La purification peut également être réalisée par lavage acide. Après purification le titane se présente sous
forme d'un solide poreux (à 99,6 % de Ti) d'où son nom d'éponge de titane.
Productions annuelles d'éponge de titane en 2018, en tonnes.
Source L’élémentarium
Utilisation de l’éponge de titane
L'éponge de titane est utilisée à 85 % pour l'élaboration du titane métal. L'éponge de titane est également
utilisée en sidérurgie pour élaborer les Ferro-titanes.
Les Ferro-titanes contiennent de 25 à 70 % de Ti, et 4 à 10 % de Al. Ils sont
utilisés comme éléments d'alliages des aciers à construction et dans les aciers
inoxydables, où ils stabilisent des carbures. La consommation mondiale de
titane, sous forme de ferro-titane, en sidérurgie, est, en 2014, de 73 684 t.
Etape 3 : Production de lingot de Titane
L'éponge de titane est chimiquement pure, à 99,6 %, mais ne possède pas Eponge de titane
une compacité et des propriétés mécaniques intéressantes. L'élaboration des lingots est effectuée sous vide à
haute température. Au cours de cette opération, divers ajouts permettent de fixer la composition des alliages.
La technique la plus utilisée est le procédé VAR.
Métaux et alliages non ferreux
5.5. Fours à électrode consommable (ou VAR : Vacuum Arc Remelting)
L’éponge de titane obtenue est broyée sous forme de granules et les éléments d’alliage sont ajoutés et
compactés sous forme de cylindres denses appelés compacts. Ils sont ensuite assemblés sous forme
d'électrodes par soudure. Cette électrode est introduite dans un four électrique à arc sous vide. L'arc a lieu
entre l'électrode et un creuset en cuivre refroidi à l'eau. L'électrode fond et le lingot se solidifie dans le
creuset. En 2016, la capacité de production de tels fours est de 320 000 t/an.
Représentation schématique du procédé VAR
Lingot de titane
Les lingots obtenus de très haute pureté ont, en général, une masse de 2 à 6 t, avec un diamètre de 830 mm,
mais ils peuvent atteindre 18 t, avec un diamètre de 1,2 m.
Le titane est un métal léger (4,5 g/cm3). Il est utilisé allié, principal alliage TiAl6V (6 % Al, 4 % V), en
aéronautique, dans les cellules et les réacteurs.
Les ailes d'un Boeing 747 exigent 1 725 kg d'alliage pour une masse finale de 450 kg après mise en forme.
L'A380 d'Airbus contient 9 % de son poids en titane.
Il est également utilisé dans les voitures de formule 1 : par exemple une bielle en titane voit sa masse
réduite de 60 %.
6. Utilisation du titane
93% de la structure du BlackBird
SR-71 est constitué de titane
Métaux et alliages non ferreux
Il est employé dans la fabrication de divers objets tel que : montres,
montures de lunettes (250 t/an en 2010 au Japon), corps d'appareils
photo, clubs de golf, cadres de bicyclettes (sous forme d'alliage TiAl3V
(3 % Al, 2,5 % V)), structure de fauteuils roulants.
Il est utilisé pur ou faiblement allié (0,2 % de Pd) pour son excellente
résistance à la corrosion, en particulier marine. Il est également
insensible à la corrosion sous tension. Il est utilisé en milieu marin :
condenseurs des centrales nucléaires côtières (150 t par condenseur),
coques de sous-marins, canalisations des usines de dessalement de l'eau
de mer (jusqu'à 1300 t de Ti/usine). Les sous-marins russes de la classe
Alpha utilisaient chacun 453 t de titane.
Métaux et alliages non ferreux
Plaque en titane de vertébrale
cervicale
Au niveau médical, du fait que l'os adhère spontanément au titane et que celui-ci est biocompatible, il
est un matériau de choix pour les prothèses. Des outils en titane sont aussi utilisés en chirurgie. Chaque
année, dans le monde, 1 000 tonnes de titane sont implantées dans des corps humains.
Implant dentaire conique
en titane
Le titane est utilisé aussi pour fabriquer les alliages à mémoire de forme
(AMF). C’est la propriété singulière de pouvoir mémoriser une forme
déterminée préalablement. Un échantillon d’un tel alliage déformé de façon
apparemment plastique à une température donnée, peut récupérer
intégralement sa forme initiale par simple chauffage. Cette déformation peut
atteindre 8% en traction. Le plus connu des alliages à mémoire de forme est
l’alliage Ni-Ti appelé Nitinol.
5.7. Propriétés biochimiques
Résistance à la corrosion
Le titane est un matériau très électronégatif et donc très réactif au contact
de l’air, de l’eau ou de tout autre électrolyte. Il s’oxyde et forme une fine
couche oxydée en surface de 10 à 20 nm ; c’est le phénomène de passivation.
Cette couche d’oxyde de titane est très résistante et protège des attaques
chimiques, en particulier des fluides biologiques. Elle est insoluble et empêche
la libération d’ions au contact des fluides biologiques.
La biocompatibilité remarquable du titane et son succès dans le domaine
de la chirurgie est due à cette couche d’oxyde qui empêche le contact direct
entre le métal et les tissus environnants et procure une très bonne résistance à
la corrosion chimique et électrochimique.
Métaux et alliages non ferreux
6. Le Zinc et ses alliages
 Zinc pur – densité (7,14 g/Cm3)
 Point de fusion (420°C)
 Point d’ébullition (907°C)
 Chaleur massique : 390 J/kg.K
 Couleur : Gris-bleuté
 Cristallographie : Hexagonale compacte (HC)
 Bonne coulabilité
 Le Zinc est allié pour améliorer ses propriétés mécaniques.
 Applications :
 Galvanisation à chaud des aciers, Pièces moulées, Anodes
sacrificielles, Piles zinc-carbone.
 Produits pharmaceutiques, Agriculture (fertilisation des terres)
 Pigments (sous forme d’oxydes pour peintures)
Lingots de Zinc
Tôles en acier galvanisé
Piles en anode
de zinc
Pièces en alliages
de zinc
Zinc
Métaux et alliages non ferreux
6.1. Elaboration du zinc
Aujourd’hui, le zinc se place au troisième rang des métaux non ferreux, après l’aluminium et le cuivre.
6.1.1. Matières Premières
Le zinc est classé à la 25ème place par rapport aux éléments chimiques existants dans l’écorce terrestre. Il
représente 80 ppm (10000 PPM = 1% et 80 PPM = 0,008%).
Dans les minerais, l’élément zinc, noté Zn, est très souvent associé aux éléments Pb, Cd, Fe, ainsi que les
éléments Cu, bismuth Bi, Sb, As,..
Le principal minerai est la blende (ZnS). Les gisements de blende sont souvent associés aux gisements de
galène (sulfure de plomb).
On trouve du zinc également dans d’autres minerais : smithsonite (ZnCO3), hémimorphite ou calamine
(Zn4Si2O7(OH)2, H2O).
Les minerais contiennent entre 4 et 20% de zinc. En 2009, il y a 144 mines en exploitation dans le monde.
6.1.2. Minéralurgie ou concentration
Après extraction du minerai, celui-ci subit un traitement physique consistant à éliminer une grande partie
de la gangue. Dans le cas des minerais sulfurés, une flottation est généralement effectuée. Elle consiste à
séparer du minerai, après broyage plus ou moins poussée, les parties valorisables d’une part et la gangue
d’autre part, en jouant sur les propriétés de surface des différents éléments du minerai.
Après flottation les concentrés contiennent de 40 à 60 % de Zn (en moyenne 53 %) sous forme de sulfure
de zinc ZnS. Lors de la flottation le zinc n'est pas transformé chimiquement, il reste sous forme de sulfure.
Métaux et alliages non ferreux
6.1.3. Métallurgie du zinc
 Grillage : il est réalisé par chauffage, à 900-1100°C, en présence d'air, selon la réaction :
ZnS + 3/2 O2 = ZnO + SO2 ΔrH°298 = - 460 kJ/mole.
Lorsque le concentré est riche en fer, ce qui est souvent le cas, il se forme des ferrites, oxydes mixtes de
zinc et de fer, selon la réaction :
ZnO + 2 FeS + 7/2 O2 = ZnFe2O4 + 2 SO2
Ces ferrites sont insolubles dans l'acide sulfurique dilué utilisé lors des opérations hydro-métallurgiques et
leur présence a longtemps été un obstacle à ces opérations.
Les autres éléments métalliques qui accompagnent le zinc dans le concentré minier subissent le même
type de transformation : les sulfures sont transformés en oxydes.
Le dioxyde de soufre SO2 formé, avec une teneur de 6 à 7 % dans le gaz lors du grillage, est récupéré et
transformé en acide sulfurique (jusqu'à 2 t de H2SO4/t de Zn).
 Le concentré de zinc, après grillage, est appelé calcine.
La réalisation industrielle du grillage dépend des procédés métallurgiques de réduction utilisés par la suite.
- Si la réduction est effectuée par hydrométallurgie, il faut que la finesse initiale du concentré soit préservée
afin de faciliter l'attaque acide. Il faut donc éviter tout frittage de la calcine et opérer le grillage plutôt à basse
température (900-950°C). Le grillage se fait en lit fluidisé.
- Si la réduction est effectuée par pyrométallurgie (qui concerne les concentrés riches en plomb), selon des
techniques proches de celles du haut fourneau, il faut que la calcine puisse supporter la charge du four et
donc posséder une bonne résistance mécanique à l'écrasement tout en restant poreuse pour que le
monoxyde de carbone puisse la réduire. La calcine est agglomérée par frittage à haute température (1000°C
et plus) Dans une machine d’agglomération. La teneur en soufre total doit être la plus faible possible (< 0,5 %).
Métaux et alliages non ferreux
6.1.4. Réduction par hydrométallurgie
La réduction par hydrométallurgie, qui concerne 90 % de la production, se déroule en 4 étapes successives :
 Une dissolution acide appelée lixiviation ;
 Une précipitation des ions fer (III) ou fer (II) ;
 Une purification par cémentation ;
 Une électrolyse qui donne un métal très pur.
Un schéma récapitulatif des étapes de l’hydrométallurgie du zinc est présenté ci-dessous :
 Lixiviation
La calcine est attaquée par une solution
diluée d'acide sulfurique (180 à 190 g/L).
L'oxyde de zinc passe en solution selon la
réaction :
ZnO + 2 H+ + SO4
2- = Zn2+ + SO4
2- + H2O
Les autres oxydes métalliques présents dans
la calcine passent également en solution sous
forme de Fe3+, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Co2+, Mn2+ …,
sauf l'oxyde de plomb qui donne du sulfate de
plomb très peu soluble. La gangue reste
insoluble, si celle-ci est siliceuse. La
transformation de ZnO et des autres oxydes se
traduit par une consommation d’acide et donc
une augmentation du pH.
Métaux et alliages non ferreux
 Elimination des ions Fe3+
Les minerais actuellement traités dans l’industrie sont riches en élément fer. Or au cours de la lixiviation Fe2+
est oxydé en Fe3+ et comme le pH augmente l’hydroxyde de fer (III), Fe(OH)3 précipite. Il faut donc éliminer
l’hydroxyde de fer (III), après l’étape de lixiviation.
 Purification par cémentation
La solution contient, après les lixiviations, outre les ions Zn2+, un certain nombre de cations métalliques
(Cu2+, Mn2+, Ni2+, Cd2+…). L’élimination de la plupart d’entre eux est effectuée par cémentation, c’est à dire
réduction à l’aide d’un excès important de poudre de zinc. L’emploi de zinc permet d’éviter l’introduction d’ions
étrangers. Seuls les ions Zn2+ et Mn2+ resteront en solution, les autres seront réduits selon la réaction :
Zn(s) + M2+
(aq) → Zn2+
(aq) + M(s) ( M = Cu, Cd, Ni ou Co)
Ces métaux se déposent sur les particules de zinc, d'environ 30 µm de diamètre, en excès et forment un
précipité. Une filtration sur toile très fine permet de récupérer les particules de zinc enrobées par les métaux
déposés. Ce solide, appelé cément, est traité afin de récupérer les métaux contenus et en particulier le zinc. La
solution de Zn2+ est ainsi purifiée des ions susceptibles de se déposer par électrolyse en même temps que le
métal Zn.
 Électrolyse
Elle est réalisée, dans des cuves en ciment revêtue de PVC, vers 30 à 40°C. La solution contient initialement
de 125 à 170 g/L de Zn2+.
 Les anodes sont en alliage de plomb contenant de 0,5 à 1 % d’Ag inattaquable en milieu sulfate,
 Les cathodes sont en aluminium. La cathode d’aluminium est recouverte d’une couche d'alumine qui évite le
contact direct du zinc déposé avec l'aluminium et ainsi la formation à l'interface d'un alliage qui empêcherait
Métaux et alliages non ferreux
 la récupération facile du zinc sans détérioration de la cathode.
La tension est comprise entre 3,2 et 3,7 V et l'intensité atteint jusqu'à 115 000 A.
Lixiviation
Purification
Electrolyse →
L’électrolyse du zinc peut se résumer suivant le schéma :
Le zinc se dépose sur la cathode d'où il est décollé toutes les 24, 48 ou 72 heures par arrachement. La
production, par cellules qui contiennent jusqu'à 86 cathodes de 1,6 m2, peut atteindre 3 t/jour. La
consommation d'énergie est de 3 000 à 3 500 kWh/t de Zn produit. Le zinc obtenu très pur (99,995 %)
contient moins de 50 ppm d'impuretés.
Les ions Mn2+ qui restent dans la solution s'oxydent en MnO2 sur l'anode en plomb.
Métaux et alliages non ferreux
6.1.5. Pyrométallurgie
10 % de la production mondiale du zinc est produite par
pyrométallurgie. Le zinc obtenu est de pureté médiocre, reste à raffiner
ensuite.
 Réduction par le carbone
C’est la réduction de l’oxyde de zinc par le carbone, avec production de
zinc vapeur et de monoxyde de carbone. On peut constater sur le
diagramme d’Ellingham que le couple CO/C est le seul dont la pente est
négative. On peut donc toujours trouver une température au-dessus de
laquelle la réduction d’un oxyde quelconque par le carbone est possible.
Pour le zinc, cette température est supérieure à 1000°C, alors que sa
température d’ébullition Téb sous pression normale est de 907°C. Le zinc
est obtenu à l’état de vapeur, ce qui constitue l’originalité de cette
métallurgie (le haut fourneau classique donne la fonte liquide).
Les autres oxydes qui accompagnaient le zinc (plomb entre autres :
Tf = 327,5 °C ; Téb = 1749 °C) sont également réduits à l’état métallique
mais les métaux sortent liquides.
Métaux et alliages non ferreux
Source : « Commodity markets outlook« , World Bank
6.2. Production mondiale du zinc
Production mondiale de zinc raffiné 2017 (13,728 millions tonnes)
6.3. Utilisations du zinc
Le zinc est utilisé sous diverses formes :
 Plaques, feuilles, bandes, sur les toitures, les gouttières
(avant le PVC). Il se recouvre alors d’une couche protectrice
qui limite sa corrosion. Il est mis en forme par laminage.
 Revêtement de l’acier (galvanisation, l’acier est trempé
dans du zinc en fusion).
 Anodes sacrificielles (pour protéger les coques de navires,
citernes enterrées).
 Alliages (zamak = Zn, Al, Cu, Mg, pour la fabrication
d’outillages de presse, quincaillerie et fonderie).
Galvanisation
Laiton et bronzes
Autres alliages
Demi produits
Chimie
Autres produits
Sources : USGS et ILZSG
Secteurs d’utilisation du zinc dans le monde (2014)
Métaux et alliages non ferreux
Anode sacrificielle en zinc Anodes sacrificielles (en zinc)
sur la coque d'un bateau
Toitures en zinc Seaux galvanisés
 Le zinc intervient comme constituant essentiel des laitons : Alliage Cu-Zn de 5 à 45 % en masse de Zn
(robinetterie, objets d’art,).
 Oxydes ZnO (pigment blanc à jaune pâle, utilisés dans les peintures).
 Le Zn est très utilisé dans les produits pharmaceutiques.
 Le Zn et aussi utilisé dans l’agriculture pour la fertilisation des terres (sulfates de zinc et oxydes de zinc).
6.4. Recyclage
Le zinc récupéré après usage ainsi que les chutes et déchets des usines métallurgiques sont soit réutilisés
directement, soit réemployés après refusion (c'est le cas, par exemple, des alliages de fonderie).
Le zinc recyclé représente 40 % de la consommation mondiale. Aux Etats-Unis, en 2015, le recyclage, avec 65
000 t, représente 37 % de la production. En Europe de l'ouest, le zinc utilisé comme couverture de toitures et
pour recueillir les eaux pluviales est recyclé à 90 % ce qui représente 110 230 t/an.
Métaux et alliages non ferreux
Bibliographie
1. Michel Colombié et Coll., Matériaux métalliques. 2è édition, DUNOD, 2008.
2. Poulard F. et Coll., Exploitation minière et traitement des minerais. Collection « La
mine de France », Tome 6, 2017.
3. Vennekens Ir. R., Notice d’information sur l’aluminium, 2ème partie, Métallerie 49,
Spécial soudage, Avril 2003.
4. Institut d’Emission d’Outre-Mer, Le Nickel, Paris, Mai 2005.
5. A quoi sert le nickel ? Le Nickel – SLN, Groupe ERAMET.
6. Association Française de l’Aluminium.
7. Y. Combres, « Métallurgie et recyclage du titane et de ses alliages », Techniques de l’Ingénieur, 2016.
8. http://fr.wikipedia.org/wiki/Cuivre
9. http://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium
10. http://fr.wikipedia.org/wiki/Titane
11. J. L. Vignes, G. André, F. Kapala, l'élémentarium « Données industrielles, économiques,
géographiques sur les principaux produits chimiques, métaux et matériaux ».
12. Jean-Louis Vignes, " Du minerai au matériau ", Paris de Sciences : 55èmes journées
nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007.
13. https://nptel.ac.in/courses, Non-ferrous extractive metallurgy.

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  • 1. Métaux et alliages non ferreux Métaux et Alliages non ferreux 1. Introduction En métallurgie, on donne beaucoup plus d’importance aux métaux ferreux et leurs alliages, car ils représentent le plus grand tonnage de matériaux utilisés dans l’industrie. Cependant, les métaux et les alliages non ferreux ont eux aussi des applications très intéressantes. Prenons l’exemple d’une cannette de coca cola et discutons de la composition du matériau de cette boitte ? On peut deviner qu’elle est composée de différents matériaux. Une chose que nous remarquons, une fois que nous avons fini par boire la boisson, que la boite est devenue très légère et qu’on peut la déformer facilement à la main. Elle a l’air d’un matériau métallique mais ce n’est pas de l’acier car il est lourd et difficile à déformer. Si on analyse ce matériau on va s’apercevoir qu’il est composé essentiellement d’Aluminium, c’est-à-dire, un alliage d’aluminium, il s’agit d’un alliage de métaux non ferreux qui a la composition suivante : ̴ 97,4 % aluminium, 1 % magnésium, 1 % manganèse, 0,4 % fer, 0,2 % silicium et un très faible pourcentage de cuivre. C’est un exemple intéressant concernant les alliages de métaux non ferreux. Actuellement, les boites de boissons sont fabriquées d’alliages d’aluminium et cet alliage est obtenu le plus souvent par recyclage. Ce dernier, est une voie très efficace pour la protection de l’environnement.
  • 2. Métaux et alliages non ferreux 2. Limite des métaux ferreux Comme nous l’avons déjà signalé dans l’introduction, les métaux et alliages ferreux sont largement les plus utilisés dans la pratique industrielle. Ceci est dû aux avantages suivants : 1. Leurs propriétés mécaniques sont élevées en conservant, toutes choses égales par ailleurs, une bonne ténacité. Pour cette raison, ce sont, en général, des matériaux très sûrs pour la réalisation de structures fortement sollicitées. 2. Leur module d’élasticité est très élevé comparé à celui des autres matériaux. Ceci permet la construction de structures rigides, c’est-à-dire présentant de faibles déformations sous l’effet des contraintes. 3. De façon générale, le prix des alliages ferreux, et surtout celui des aciers au carbone, est relativement faible. Ce sont des produits économiques. Mais, les alliages ferreux ont des limites d’application. En effet, ils ont trois points faibles : 1. La densité du fer, de l’ordre de 7,8, est relativement élevée. Ceci conduit donc souvent à des structures plus lourdes pouvant être un inconvénient pour certaines applications telles que l’aéronautique par exemple. Ainsi s’explique la concurrence des alliages d’aluminium, de titane ou des matériaux composites. 2. Leur conductivité électrique faible par rapport au cuivre, aluminium, etc. 3. Leur résistance à la corrosion, même à la corrosion atmosphérique, est, sans autre précaution (galvanisation, peinture, aluminisation), relativement médiocre ; le fer «rouille ».
  • 3. Métaux et alliages non ferreux Les aciers inoxydables font l’exception ; ils sont exceptionnellement très résistants à la corrosion, mais au prix d’additions d’éléments d’alliage. Si on revient à la boite de Coca-Cola, la boisson est très acide, donc si on la verse sur un matériau ferreux, on va constater qu’il se corrode facilement avec le temps. Mais, si on l’applique sur l’alliage d’aluminium déjà cité plus haut, on aura une très bonne résistance à la corrosion. Ainsi, la densité, la conductivité électrique et la résistance à la corrosion sont quelques-uns des points les plus importants qui justifient pourquoi il faut aller vers les alliages non ferreux. 3. Classification des alliages métalliques Dans cette partie nous allons présentés les métaux et leurs alliages légers. Parmi les métaux non ferreux, l’aluminium est le métal le plus utilisé et le plus léger. On classe les alliages métalliques en deux branches : les alliages ferreux avec le fer comme métal de base, tel que l’acier et la fonte, etc. et les alliages non ferreux, où nous allons parler de divers alliages légers comme l’Aluminium, Zinc, Titane et leurs alliages et également d’alliages plus lourds comme, les alliages à base de cuivre, Cuivre, Nickel, Cobalt, etc. et leurs alliages.
  • 4. Métaux et alliages non ferreux Aluminium  Aluminium pur – densité (2,7 g/cm3)  Point de fusion (660 °C)  Point d’ébullition (2519 °C)  Chaleur massique : 897 J/kg.K  Module d’élasticité = 69 Gpa  Résistance à la traction = 70 à 100 Mpa  Couleur : Blanc–gris argenté  Structure cristalline : structure cristalline à face centrée (CFC)  Bonne résistance à la corrosion  Conductibilité électrique et thermique élevée.  L’aluminium est allié pour améliorer ses propriétés mécaniques.  Application – A cause de leur bas point de fusion l’utilisation des alliages d’Al aux hautes températures est très limitée.  Transport (aéronautique, voitures, chemin de fer, etc.)  Bâtiments, électrochimie, agroalimentaire, etc. Aluminium Aluminium pour le transport Canettes en aluminium Bloc moteur Yamaha en alliage d’aluminium 4. Aluminium et ses alliages
  • 5. 4.1. Elaboration de l’aluminium L'aluminium figure en quantité comme le troisième élément de l'écorce terrestre, après l'oxygène et le silicium. Après avoir été longtemps considéré comme un métal précieux, il est maintenant le principal métal non ferreux industriel. Eléments chimiques Oxygène Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H P C % poids dans la croûte terrestre 46,71 27,69 8,07 5,05 3,65 2,75 2,58 2,08 0,62 0,14 0,13 0,094 Mn S Ba Cl Cr F Zr Ni 0,09 0,052 0,05 0,045 0,035 0,029 0,025 0,019 Tableau- Abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre 4.1.1. Le minerai Bien que l'aluminium apparaisse généralement sous la forme de silicates, le seul minerai utilisé est la bauxite (les premiers gisements furent découverts en 1831 par Pierre Berthier dans le village des Baux-de- Provence en France, d’où son nom la bauxite). La bauxite est une alumine hydratée impure ; elle contient :  45 à 60 % en masse d'oxydes d'aluminium hydratés : (Al2O3, nH2O).  20 à 30 % d'oxyde de fer (III) hydraté, (Fe2O3, nH2O), qui donne sa couleur rouge au minerai,  moins de 5 % de silice, (SiO2).  moins de 3 % d’oxyde de titane, (TiO2) et d’eau. Métaux et alliages non ferreux
  • 6. Cette alumine se présente dans l'une des espèces minéralogiques suivantes :  la Gibsite, (bauxites tropicales)  et la Boehmite (bauxites européennes). 4.1.2. Production de la bauxite En 2017, la production mondiale s’élevait à 296,109 millions de t de bauxite. Plus de 90 % des réserves connues de ce minerai se situent dans 10 pays. Minerai de Bauxite Pays Millions de tonnes Pays Millions de tonnes Australie 87,90 Jamaïque 8,24 Chine 60,79 Russie 5,52 Guinée 42,70 Malaisie 4,86 Brésil 39,24 Kazakhstan 4,84 Inde 22,78 Arabie Saoudite 3,84 Métaux et alliages non ferreux Source : « Commodity markets outlook« , World Bank Les 10 premiers pays producteurs de bauxite en 2017
  • 7. Métaux et alliages non ferreux L'élaboration de l'aluminium, à partir de la bauxite, s'effectue en deux étapes distinctes : Bauxite Alumine Al2O3 Aluminium ↓ ↓ Traitement Electrolyse Physico-chimique  Extraction de l'alumine Al2O3 des autres constituants du minerai (la bauxite). Industriellement, on utilise le procédé Bayer mis au point en 1887.  Electrolyse de l'alumine en sel fondu qui donne le métal aluminium. 4.1.3. Fabrication de l’alumine (Procédé Bayer) Préparation du minerai La bauxite est concassée et éventuellement broyée après séchage. Attaque de la bauxite par la soude (NaOH) concentrée Le minerai est attaqué par une solution de soude NaOH (Na+ (aq)+ HO− (aq)) dans un réacteur sous une pression de 10 bars à une température de 250°C. La transformation de l’alumine par la solution de soude peut être décrite par la réaction d'équation suivante : Al(OH)3 + HO− → Al(OH)4 − ou Al2O3, 3H2O + 2HO− → 2Al(OH)4 − Un très large excès de solution de soude dans le réacteur permet de rendre cette réaction quasi-totale.
  • 8. a soude NaOH est une base et avec un pH > 10 l’aluminium est sous forme d’ions (aluminates) alors que le fer est sous sa forme solide. En fonction du pH on trouve les substances suivantes : Métaux et alliages non ferreux Séparation de l’aluminate de sodium et précipitation de l’alumine La lessive est extraite des autoclaves pour être diluée afin d’obtenir une bonne concentration du reste de la solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur claire dans laquelle l’aluminium est dissous, elle est envoyée ensuite aux réservoirs de précipitation où s'effectue à 60°C. D’après le graphique du pH, on constate qu’un abaissement du pH conduit à la précipitation de Al(OH)− 4 en Al(OH)3. Or une dilution d’une solution très basique conduit à un abaissement du pH. Le refroidissement permet d’abaisser la solubilité (précipitation ou cristallisation) Al(OH)4 − → Al(OH)3 La cristallisation de Al(OH)3 pur, s’effectue très lentement. En cinq jours, il y a dépôt d’environ 60 % de l’alumine contenue dans l’aluminate. Pour accélérer le processus de dépôt (de cristallisation), on introduit dans la solution quelques grains de Al(OH)3. A la fin, Al(OH)3 cristallisé, est aspiré et filtré de la lessive et séché, ensuite acheminé vers les fours rotatifs. Le résidu de filtration subit l’opération de concentration par évaporation avant d’être utilisé comme soude concentrée.
  • 9. Métaux et alliages non ferreux Schéma du procédé Bayer d’extraction de l’alumine de la bauxite
  • 10. Métaux et alliages non ferreux Calcination de l’alumine L’alumine hydratée, après séchage, subit une calcination dans les fours rotatifs à une température de 1200°C, on obtient de l’alumine avec une teneur en Al2O3 de 99,2 à 99,5 %. Préparation de l’alumine en laboratoire à partir de la bauxite 2. Mise en solution pour extraire l’alumine 1. Broyage de la bauxite
  • 11. Métaux et alliages non ferreux 4.1.4. Fabrication de l’aluminium L'alumine est un oxyde très stable qui ne peut pas être réduit par les réducteurs (tels que CO, H2 ou C) habituellement utilisés en métallurgie. Il faut employer la réduction cathodique qui se produit dans l'électrolyse. Principe d’électrolyse L’aluminium dit « de première fusion » est obtenu à partir de l’alumine par électrolyse du sel fondu. La température de fusion de l’alumine étant très élevée (2040°C), on mélange l’alumine à de la cryolithe (AlF3, 3NaF), ce qui a pour effet de diminuer considérablement la température de fusion du mélange (960°C). Dans le sel fondu l’aluminium est sous la forme d’ions Al3+. Comme exemple, on peut citer l’usine de production Alcan située à Dunkerque considérée comme la plus grande usine d’électrolyse d’alumine de France. Elle comporte 264 cuves montées en série. La tension globale aux bornes des cuves est U = 1110 V (soit environ 4 V aux bornes de chaque cuve) et l’intensité du courant est I = 350 000 A. La cathode de la cellule d’électrolyse est constituée par le creuset en graphite. L’anode est en carbone. L'alumine est dissoute dans le bain fluoré d'électrolyses à 960°C suivant la réaction (simplifiée) suivante : Al2O3 2Al3+ + 3O2-
  • 12. Métaux et alliages non ferreux Cuve d’électrolyse d’aluminium Suivant le principe de l’électrolyse, un courant électrique continu circule entre l’anode (pôle +) et la cathode (pôle -). L’aluminium se forme à la cathode, où il entre en coalescence dans une nappe d’aluminium liquide, selon la réaction : Al3+ + 3e- Al métal En pratique, il faut plusieurs milliers d'ampères pour produire une quantité significative d'aluminium : environ 7,65 kg d'aluminium par cellule par jour et par millier d'ampères. À l’anode en carbone, le dioxyde de carbone gazeux se dégage sous forme de grosses bulles qui s’échappent dans l’atmosphère. En effet, l'oxygène produit réagit avec le carbone de l'anode suivant la réaction : 2O2- + C CO2 + 4e- L’anode est donc brûlée par l'oxygène et doit être remplacée. La coulée du métal s'effectue par siphonage sous vide. Il est coulé sous forme de lingots, de plaques ou
  • 13. Métaux et alliages non ferreux de billettes qui alimentent les usines de transformation. Les usines d'électrolyse comportent un grand nombre de cuves montées en série (jusqu’à 250), ce qui implique un besoin très important en énergie électrique. Cette énergie entre pour 25 % dans le prix de revient du lingot. Pour une tonne d'aluminium, il faut : Pour obtenir 1900 kg d’alumine, il faut : 1900 kg d’alumine 5000 kg de bauxite 430 kg de carbone pur (anode) 210 kg de soude 30 kg de cryolithe 13 500 kg d'eau 13000 kWh en énergie électrique. 600 kg de fuel. Raffinage de l'aluminium L'aluminium sortant des cuves d'électrolyse a une teneur de l’ordre de 99,7 %. Un procédé den raffinage électrolytique permet d'obtenir un métal à 99,99%. Bilan énergétique La consommation spécifique d’énergie a baissé de façon continue : voisine de 80000 kWh/t d’Al produit en 1896, elle est de l’ordre de 13000 kWh/t d’Al actuellement. Le rendement Faraday est passé lors de ces dix dernières années de 88% à 95%.
  • 14. Métaux et alliages non ferreux 4.2. Production mondiale d’aluminium La production mondiale s’élevait, en 2017, à 58,7 millions de tonnes d’aluminium. Les principaux pays producteurs sont les suivants : Source : « Commodity markets outlook« , World Bank Production mondiale d’aluminium (2017) (58,7 Millions tonnes) 4.3. Transformation en demi-produits L’aluminium liquide, éventuellement allié avec différents éléments d’addition, afin d’obtenir l’alliage désiré, est coulé par les procédés suivants : • soit par le procédé de coulée semi-continue sous forme de plaques pour laminage ou de billettes pour filage ou forgeage, • soit par un procédé de coulée et laminage continu sous forme de fil machine de diamètre de 7 à 25 mm, • soit directement dans des lingotières afin d’obtenir des lingots en aluminium ou alliages de moulage.
  • 15. Métaux et alliages non ferreux L’aluminium et ses alliages se prêtent particulièrement bien aux différents modes de transformation : Laminage Le laminage à chaud, entre 400 et 500°C, permet d’obtenir des tôles d’épaisseur supérieure à 2,5 mm. Par laminage à froid ultérieur, on obtient des tôles, bandes de plus faible épaisseur pouvant aller, dans le cas des feuilles minces, jusqu’à 6 μm. La coulée continue permet d’obtenir directement des bandes d’épaisseur de 6 à 10 mm et de largeur de 2 m à partir du métal liquide, ceci sans passer par l’intermédiaire des plaques et de leur laminage à chaud. Filage Grâce à la bonne plasticité de l’aluminium et de ses alliages, le filage à chaud, sur presse, permet d’obtenir en une seule opération des barres, tubes ou profilés, de sections et formes très variées. Des opérations ultérieures d’étirage ou de tréfilage à froid permettent d’aboutir à des fils de faible diamètre (quelques dixièmes de millimètres). Semi-produits coulés, laminés, filés et étirés Forgeage et matriçage Effectué à partir de billettes ou de plaques, ce procédé permet de réaliser des pièces de forme, à caractéristiques améliorées, à bonne homogénéité interne, très utilisées dans les industries de pointe : aéronautique, nucléaire, armement… Moulage Les pièces moulées représentent 25 % des utilisations de l’aluminium. L’importance de ce procédé s’explique par le fait qu’il permet d’obtenir des pièces à un prix compétitif, avec un bon aspect esthétique, et avec des côtes suffisamment précises, pour que l’usinage soit limité au minimum.
  • 16. Métaux et alliages non ferreux 4.4. Transformation en produits finis – Mise en œuvre Pour l’obtention de produits finis, plusieurs procédés de mise en œuvre bien adaptés à l’aluminium et ses alliages sont utilisés : • l’assemblage par des moyens tels que soudage, brasage, rivetage, collage…, • la mise en forme à froid par pliage, chaudronnage, emboutissage, filage par choc.., • l’usinage, le décolletage, les traitements de surface, etc. 4.5. Désignation des alliages d’aluminium 4.5.1. Caractéristiques principales de l’aluminium L’aluminium est un métal particulièrement apprécié pour certaines de ses caractéristiques : - Bas point de fusion (658°C) ; ductilité élevée (A – 40%) ; assez léger (densité 2,7) ; bonne conductivité électrique ; bonne conductibilité thermique (5 fois celle des aciers) ; coefficient de dilatation thermique 1,5 fois celui des aciers, propriétés réfléchissantes et résistance à la corrosion élevée. - Bon rapport résistance/poids, ce qui explique les nombreuses applications dans le domaine des transports, comme l'aéronautique, par exemple. Autres Industrie agroalimentaire Industrie électrochimique Engineering Industrie du bâtiment Transport (aéronautique, naval, chemin de fer, voiture, etc.) 0 10 20 30 40 50 60 70  Secteurs d’application de l’aluminium
  • 17. Métaux et alliages non ferreux 4.5.2. Classification des alliages d’aluminium Pour de nombreux emplois il est nécessaire de recourir à des alliages d’aluminium présentant des caractéristiques mécaniques plus élevées. Les raisons principales pour allier l’aluminium sont :  Augmenter la résistance à la traction, la dureté et la résistance à l’usure ;  Fluage ;  Relaxation des tensions et de la fatigue. Il est possible d’obtenir ses caractéristiques à travers des alliages binaires ou ternaires : Al-Cu, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Zn, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Ni, Al-Cu-Zn, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn etc. On distingue les deux grandes classes d’alliages d’aluminium suivantes : • les alliages corroyés, produits obtenus par des procédés de déformation plastique à chaud ou à froid tels que le filage, le laminage, • les alliages de moulage, obtenus directement par fonderie. La désignation de ces alliages est faite suivant des règles très précises que nous rappelons ci-après. 4.5.3. Désignation des alliages corroyés 1. Composition La désignation, conforme à la norme Afnor NF EN 573 ainsi qu’aux spécifications internationales de l’Aluminium Association, est numérique à quatre chiffres dont le premier chiffre indique la famille (ou série) à laquelle appartient l’aluminium ou l’alliage d’aluminium (tableau). Élément d’alliage Famille Aucun 1000 Cuivre 2000 Manganèse 3000 Silicium 4000 Magnésium 5000 Magnésium et silicium 6000 Zinc (et cuivre) 7000Tableau – Familles d’alliages d’aluminium corroyés →
  • 18. Les lettres EN A Symboles représentatifs des alliages d’aluminium La lettre W Symbole du corroyage W = wrought Le premier chiffre permet de classer la famille de l’alliage (tableau ci-dessus) Le deuxième chiffre permet de déterminer le nombre de modification qu’à subi l’alliage Les 2 derniers chiffres seront affectés en fonction de la composition chimique exacte de l’alliage Désignation numérique des alliages d’aluminium corroyé NF EN 573 EN AW – XXXX N.B. Pour la classe 1, il s’agit d’aluminium affiné, les deux derniers chiffres indiquent le % de pureté en 1/100 de pour-cent au-delà de 99%. (Exemple 1090 = aluminium affiné à 99,9%). Désignation numérique Désignation symbolique EN AW – 1100 EN AW – 1100 [99,0%] EN AW – 6061 EN AW – 6061 [Al Mg1 Si Cu] EN AW – 2017 EN AW – 2017 [Al Cu4 Mg] EN AW – 7020 EN AW – 7020 [Al Zn5 Mg] EN AW – 5086 EN AW – 5086 [Al Mg4] 2. Exemple de normalisation des alliages d’aluminium corroyé Equivalence entre la désignation numérique et symbolique
  • 19. Métaux et alliages non ferreux 3. Différentes classes d’alliages d’aluminium corroyés Série 1000 (aluminium) Les différentes nuances de la série 1000 se distinguent par la présence plus ou moins importante d'impuretés. Souvent, le troisième chiffre indique le degré de pureté en donnant la valeur de la première décimale à ajouter à 99 % (exemple : l'alliage 1050 contient 99,5 % d'aluminium). Parmi ces nuances, l'alliage 1050 est le plus représenté. Il est utilisé dans de très nombreuses applications et souvent pour des applications de grande consommation : cuve, échangeur, en bâtiment, emballage, matériel ménager. Les alliages dits raffinés contiennent plus de 99,99 % d'aluminium. Ils trouvent leurs applications principales dans l'industrie de l'électronique ou de l'optique : condensateur, microprocesseur mais également dans la fabrication de pièces de réflexion. Série 2000 (aluminium + cuivre) L'élément d'alliage de la famille 2000 est le cuivre (Cu). Ils obtiennent leurs caractéristiques mécaniques par durcissement structural. Ils sont caractérisés par de bonnes caractéristiques mécaniques notamment à l'état trempé revenu ou maturé. C'est grâce à ces caractéristiques mécaniques qu'ils ont été choisis pour les applications aéronautiques. Ils présentent également de bonnes aptitudes de tenue à chaud et pour le décolletage. Ces alliages ont de nombreuses applications en aéronautique et en mécanique. En général, ils sont utilisés pour des pièces soumises à des contraintes.
  • 20. Métaux et alliages non ferreux Série 3000 (aluminium + manganèse) L'élément d'alliage de cette série est le manganèse (Mn). Pour certains alliages de cette famille, le taux de magnésium (Mg) est relativement important, on peut parler d'alliage aluminium-manganèse-magnésium (Al-Mn-Mg). Le manganèse a pour effet d'augmenter les caractéristiques mécaniques. L'alliage 3004 a une meilleure résistance mécanique grâce à l'apport de magnésium. Les applications de ces alliages sont les emballages (boîte boisson, boîte de conserve), la chaudronnerie grâce aux bonnes caractéristiques à l'emboutissage, l'électroménager, le bâtiment. 4.5.4. Désignation des alliages moulés (Fonderie) 1. Composition La désignation alphanumérique, autrefois en usage en France, a été remplacée par une désignation numérique, comme pour les alliages de corroyage, mais en 5 chiffres, suivant la norme Afnor NF EN 1780-1. On trouvera au tableau ci-dessous la correspondance entre le premier chiffre et l’élément d’alliage. Élément d’alliage Famille Aucun 10000 Cuivre 20000 Silicium 40000 Magnésium 50000 Zinc (et cuivre) 70000 Tableau – Familles d’alliages d’aluminium moulés.
  • 21. Métaux et alliages non ferreux Désignation numérique des alliages d’aluminium moulé NF EN 1706 EN AC – XXXXX Les lettres EN A Symboles représentatifs des alliages d’aluminium La lettre C Symbole du moulage C = cast Le premier chiffre permet de classer la famille de l’alliage (tableau ci-dessus) Le deuxième chiffre permet de classer la sous-famille de l’alliage Les 3 derniers chiffres seront affectés en fonction de la composition chimique exacte de l’alliage Equivalence entre la désignation numérique et symbolique Désignation numérique Désignation symbolique EN AC – 21000 EN AC – 21000 [AlCu4MgTi] EN AC – 45400 EN AC – 45400 [AlSi5Cu3] EN AC – 43000 EN AC – 43000[AlSi10Mg] EN AC – 51400 EN AC – 51400[AlMg5Si] EN AC-71000 EN AC-71000[AlZn5Mg] 2. Exemple de normalisation des alliages d’aluminium moulé
  • 22. Métaux et alliages non ferreux 4.6. Influence des éléments d’alliages d’aluminium 4.6.1. Alliages aluminium-silicium Le diagramme d'aluminium montre l'existence de deux solutions solides α et β. La première contient jusqu'à 1,65 % de Si, la seconde contient jusqu'à 3 % d'aluminium. Un eutectique existe à 12,7 % de Si. Le silicium, Après traitement de modification des alliages Al-Si, a pour effet : - d'améliorer la coulabilité - de réduire l'aptitude à la retassure - de diminuer le coefficient de dilatation Diagramme Al – Si D'une manière générale, les alliages Al-Si sont les alliages d'aluminium qui présentent les meilleures propriétés de fonderie. Exemple : Alpax (Alliage Al-Si de composition proche de l’eutectique , environ 13 % de silicium, il fond donc à une température plus basse que l'aluminium (environ 577 °C contre 660 °C). Il est très utilisé en fonderie.
  • 23. Métaux et alliages non ferreux 4.6.2. Alliages aluminium-cuivre Le diagramme d'équilibre Al-Cu fait paraître l'existence d'une solution solide α présente jusqu'à 5,65 % de Cu. L'eutectique se situe à 33 % de Cu. On remarque l'existence d'un composé défini Al2Cu. Les alliages aluminium-cuivre utilisés dans l'industrie ne dépassent pas une proportion de cuivre supérieure à 12 %. Avantages - le cuivre accroît les propriétés mécaniques et en particulier la dureté. - la coulabilité est améliorée par rapport à l'aluminium pur pour des concentrations en cuivre comprises entre 7 et 8 %. Diagramme Al – Cu
  • 24. Métaux et alliages non ferreux 4.6.3. Alliages aluminium-magnésium Les alliages contiennent jusqu'à 12 % de magnésium. Il existe une solution solide α contenant jusqu'à 15 % de Mg à 450 °C. Les alliages industriels Al-Mg ont tous pour constituant la solution solide α. Après traitement d'homogénéisation ces alliages ont les propriétés suivantes : - La coulabilité est moins bonne que pour les alliages précédents. - Les alliages de magnésium sont recherchés pour leur bonne usinabilité mais surtout pour leur très grande résistance à la corrosion. Diagramme Al – Mg
  • 25. Métaux et alliages non ferreux  Exemple de pièces d’aluminium obtenues par moulage Blocs moteurs en aluminium réalisés en alliage AlSi9Cu3 par moulage sous pression Hachoir à viande en aluminium Pièces en aluminium obtenues par Moulage sous pression
  • 26. Titane Titane Montre en titaneBague en titane  Titane pur – densité (4,5 g/Cm3)  Point de fusion (1660°C)  Point d’ébullition (3287°C)  Chaleur massique : 520 J/kg.K  Module d’élasticité = 107 Gpa  Résistance à la traction = 150-500 Mpa  Couleur : Blanc argenté  Structure cristalline : Deux formes cristallines Ti(α) (HC) au-dessous de 883°C et Ti(β) (CC) au-dessus de 883°C.  Alliages de titane : Alpha, Alpha-Beta, Beta  Le Titane est allié pour réduire le prix, augmenter la résistance et stabiliser les phases.  Phase α stabilisée par : Al, Ga, Ge, C, N  Phase β stabilisée par : Mo, V, Ta, Nb, Mn, Fe, Cr, Co, Ni, Cu, Si  Application – Composants à haute résistance et haute température, Biomédicale, alliages à mémoire de forme, joaillerie, etc. 5. Titane et ses alliages Métaux et alliages non ferreux Pot d’échappement pour moto en alliage de titane
  • 27. Métaux et alliages non ferreux 5.1. Elaboration du titane L’élément Titane (Ti) est le 9ème élément le plus abondant de la croûte terrestre. Il provient de deux principaux minerais :  Le rutile : forme naturelle du bioxyde de titane : TiO2 ;  L’ilménite : c’est un titanate de fer impur : TiO3Fe ; C’est un métal de transition léger, résistant, d’un aspect blanc métallique et qui résiste à la corrosion. Il est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants. Il possède à la fois les qualités d’élasticité et de ductilité, il résiste très bien à la corrosion et se caractérise par une biocompatibilité comparable à celle de la céramique sans toutefois présenter son caractère fragile. C’est le TiO2 : blanc du titane qui constitue l’essentiel du marché aujourd’hui : excellent pigment d’un blanc pur (oxyde du Titane). 5.2. Historique  1790 : Le titane est découvert pour la première fois par Gregor dans des terrains sablonneux noirs. Gregor lui donne le nom de ″Ménachanite″ ;  1799 : Klaproth découvrit un nouvel oxyde identique à la ″ménachanite″ et lui donne le nom de ″Titane″ (du latin moderne ″Titanium″ dérivé de ″Titan″ s’inspirant de la mythologie grecque qui veut dire ″force″) ;  1910 : Hunter obtint les premières quantités de ″Titane″ presque pur par réduction du tétrachlorure de Titane (TiCl4) par le sodium (Na) ;  1940 : Kroll (chimiste Luxembourgeois) met au point un procédé de production industrielle du Titane ;
  • 28. Métaux et alliages non ferreux 5.3. Matières premières Dans les minerais, le titane, oxydé, est le plus souvent associé au fer, également oxydé, sous forme d'oxydes mixtes dans des ilménites, ce qui exclut la séparation purement physique des deux éléments. Les minerais se présentent plutôt sous forme de roches dans l'hémisphère nord et de sables dans l'hémisphère sud. Les minerais de titane sont des minéraux lourds, de densité supérieure à 2,87. Provenant de l'érosion de roches, ils se rassemblent sous forme de sables, présents en bordure de côtes (Australie, Afrique du Sud, Inde, Kenya, Mozambique, Madagascar, Sénégal), sous une épaisseur d'une dizaine de mètres. Minerai L'ilménite, oxyde mixte de formule (TiO,FeO,Fe2O3) avec une teneur en TiO2 comprise entre 35 et 65 %. C'est le principal minerai de titane. Les ilménites de teneur élevée en dioxyde de titane, environ 60 %, peuvent être utilisées par le procédé au chlore. Le rutile (TiO2) avec une teneur en TiO2 comprise entre 92 et 96 %. C'est un minerai plus rare, qui accompagne, dans les gisements, l'ilménite. Minéralurgie Lorsque le minerai se présente sous forme de sables, en bord de mer, l'extraction a lieu à l'aide de dragues flottantes. Dans le cas de dunes fossiles, de puissants jets d'eau permettent d'entraîner le minerai.
  • 29. Métaux et alliages non ferreux Traitement du minerai La première étape de traitement, après l'extraction, consiste à éliminer les impuretés organiques, les argiles, le quartz et les autres minéraux légers. Cette opération est réalisée, en voie humide, par tamisage, séparation par un hydrocyclone puis par gravité, à l'aide de séries de spirales qui permettent d'éliminer, en particulier, le quartz. Ce triage gravimétrique utilise les différences de densité entre les minéraux denses (4,5 à 5,0 pour l'ilménite, 4,2 à 4,3 pour le rutile, 4,7 pour le zircon) et les autres minéraux présents, principalement le quartz de densité 2,65. Le produit obtenu est un concentré de minéraux "lourds". Cette étape est réalisée sur le lieu de l'extraction minière. Une deuxième étape permet, à partir du concentré de minéraux lourds, de séparer, à sec, les divers minéraux contenus : ilménite, rutile. Cette opération est effectuée à l'aide de procédés physiques utilisant les différences de propriétés magnétiques et électriques des divers minéraux. Le rutile a une faible susceptibilité magnétique contrairement à l'ilménite. 5.4. Métallurgie du titane La production de l’éponge de titane passe par les étapes suivantes : Minerai (ilménite ou rutile) TiO2 Eponge de titane Ti Etape 1 : Production de TiO2 La réduction de TiO2 par des réducteurs tels que carbone, CO et H2 n’est possible que lorsqu’on opère à des températures élevées (> à 2000°C) comme le montre le diagramme ci-dessous. 1 2 3
  • 30. Métaux et alliages non ferreux Pour cela, le procédé Kroll propose d’abord de produire le tétrachlorure de titane, TiCl4, par carbo-chloration. Elle est effectuée sous vide ou sous atmosphère inerte (argon) vers 800°C, en lit fluidisé. Le coke broyé est introduit au-dessus du minerai où il brûle en élevant la température. Quand la température de 800°C est atteinte, le dichlore est introduit et la réaction suivante se produit : TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) = TiCl4(g) + 2 CO(g) minerai coke chlore tétrachlorure Le tétrachlorure de titane, TiCl4, est extrait sous forme gazeuse, sa température d'ébullition étant de 136°C, puis est condensé, purifié par distillation (séparation des autres gaz : CO, CO2, FeCl3, SiCl4, ..) et stocké à l'état liquide. Le TiO2 est ensuite obtenu dans un réacteur vers 1000°C, par oxydation de TiCl4 en présence d’O2, où la réaction exothermique : TiCl4(g) + O2(g) = TiO2(s) + 2 Cl2(g) ∆H°298 K = - 762,3 KJ.mol-1 porte la température vers 1400°C.
  • 31. Métaux et alliages non ferreux Chine 3 250 Mexique 300 États-Unis 1 370 Australie 260 Allemagne 472 Arabie saoudite 210 Japon 314 Ukraine 120 Royaume-Uni 315 Inde 108 Production et utilisation de TiO2 pur En 2018, la production mondiale de TiO2 est estimée à 6,72 millions de tonnes. La capacité annuelle de production de TiO2 en milliers de tonnes de quelques pays est la suivante : Source L’élémentarium Le TiO2 est une poudre blanche qui est utilisé à 95% comme pigments. Il est le meilleur des pigments blancs. En 2013, avec une consommation de 5,3 millions de t comme pigment, TiO2 est utilisé à 31% dans les peintures pour bâtiments, 25% dans d'autres peintures, 24 % dans les matières plastiques et les caoutchoucs, 8% dans le papier, 4% dans des encres, etc. Il aussi utilisé dans des dentifrices. Etape 2 : Production de l’éponge de titane Seulement 6 % de la production minière de titane sert à la fabrication de titane métallique. L’obtention de l’éponge de titane se fait suivant le procédé Kroll. La réduction de TiCl4 et la purification se fait à l’aide de magnésium (Mg). Ce procédé présente l'inconvénient de fonctionner de façon discontinue. La difficulté de cette métallurgie réside dans la nécessité d'opérer sous vide (ou sous argon), à haute température. TiCl4(g) + 2Mg(liq) Ti(s) + 2MgCl2(liq)
  • 32. Métaux et alliages non ferreux Chine 70 000 Etats Unis 12000 Japon 52 000 Kazakhstan 9 000 Russie 40 000 Ukraine 8000 Le Titane solide, plus léger, surnage sur le chlorure liquide. Le chlorure de magnésium, est éliminé par siphonnage. La purification peut également être réalisée par lavage acide. Après purification le titane se présente sous forme d'un solide poreux (à 99,6 % de Ti) d'où son nom d'éponge de titane. Productions annuelles d'éponge de titane en 2018, en tonnes. Source L’élémentarium Utilisation de l’éponge de titane L'éponge de titane est utilisée à 85 % pour l'élaboration du titane métal. L'éponge de titane est également utilisée en sidérurgie pour élaborer les Ferro-titanes. Les Ferro-titanes contiennent de 25 à 70 % de Ti, et 4 à 10 % de Al. Ils sont utilisés comme éléments d'alliages des aciers à construction et dans les aciers inoxydables, où ils stabilisent des carbures. La consommation mondiale de titane, sous forme de ferro-titane, en sidérurgie, est, en 2014, de 73 684 t. Etape 3 : Production de lingot de Titane L'éponge de titane est chimiquement pure, à 99,6 %, mais ne possède pas Eponge de titane une compacité et des propriétés mécaniques intéressantes. L'élaboration des lingots est effectuée sous vide à haute température. Au cours de cette opération, divers ajouts permettent de fixer la composition des alliages. La technique la plus utilisée est le procédé VAR.
  • 33. Métaux et alliages non ferreux 5.5. Fours à électrode consommable (ou VAR : Vacuum Arc Remelting) L’éponge de titane obtenue est broyée sous forme de granules et les éléments d’alliage sont ajoutés et compactés sous forme de cylindres denses appelés compacts. Ils sont ensuite assemblés sous forme d'électrodes par soudure. Cette électrode est introduite dans un four électrique à arc sous vide. L'arc a lieu entre l'électrode et un creuset en cuivre refroidi à l'eau. L'électrode fond et le lingot se solidifie dans le creuset. En 2016, la capacité de production de tels fours est de 320 000 t/an. Représentation schématique du procédé VAR Lingot de titane Les lingots obtenus de très haute pureté ont, en général, une masse de 2 à 6 t, avec un diamètre de 830 mm, mais ils peuvent atteindre 18 t, avec un diamètre de 1,2 m.
  • 34. Le titane est un métal léger (4,5 g/cm3). Il est utilisé allié, principal alliage TiAl6V (6 % Al, 4 % V), en aéronautique, dans les cellules et les réacteurs. Les ailes d'un Boeing 747 exigent 1 725 kg d'alliage pour une masse finale de 450 kg après mise en forme. L'A380 d'Airbus contient 9 % de son poids en titane. Il est également utilisé dans les voitures de formule 1 : par exemple une bielle en titane voit sa masse réduite de 60 %. 6. Utilisation du titane 93% de la structure du BlackBird SR-71 est constitué de titane Métaux et alliages non ferreux Il est employé dans la fabrication de divers objets tel que : montres, montures de lunettes (250 t/an en 2010 au Japon), corps d'appareils photo, clubs de golf, cadres de bicyclettes (sous forme d'alliage TiAl3V (3 % Al, 2,5 % V)), structure de fauteuils roulants. Il est utilisé pur ou faiblement allié (0,2 % de Pd) pour son excellente résistance à la corrosion, en particulier marine. Il est également insensible à la corrosion sous tension. Il est utilisé en milieu marin : condenseurs des centrales nucléaires côtières (150 t par condenseur), coques de sous-marins, canalisations des usines de dessalement de l'eau de mer (jusqu'à 1300 t de Ti/usine). Les sous-marins russes de la classe Alpha utilisaient chacun 453 t de titane.
  • 35. Métaux et alliages non ferreux Plaque en titane de vertébrale cervicale Au niveau médical, du fait que l'os adhère spontanément au titane et que celui-ci est biocompatible, il est un matériau de choix pour les prothèses. Des outils en titane sont aussi utilisés en chirurgie. Chaque année, dans le monde, 1 000 tonnes de titane sont implantées dans des corps humains. Implant dentaire conique en titane Le titane est utilisé aussi pour fabriquer les alliages à mémoire de forme (AMF). C’est la propriété singulière de pouvoir mémoriser une forme déterminée préalablement. Un échantillon d’un tel alliage déformé de façon apparemment plastique à une température donnée, peut récupérer intégralement sa forme initiale par simple chauffage. Cette déformation peut atteindre 8% en traction. Le plus connu des alliages à mémoire de forme est l’alliage Ni-Ti appelé Nitinol. 5.7. Propriétés biochimiques Résistance à la corrosion Le titane est un matériau très électronégatif et donc très réactif au contact de l’air, de l’eau ou de tout autre électrolyte. Il s’oxyde et forme une fine couche oxydée en surface de 10 à 20 nm ; c’est le phénomène de passivation. Cette couche d’oxyde de titane est très résistante et protège des attaques chimiques, en particulier des fluides biologiques. Elle est insoluble et empêche la libération d’ions au contact des fluides biologiques. La biocompatibilité remarquable du titane et son succès dans le domaine de la chirurgie est due à cette couche d’oxyde qui empêche le contact direct entre le métal et les tissus environnants et procure une très bonne résistance à la corrosion chimique et électrochimique.
  • 36. Métaux et alliages non ferreux 6. Le Zinc et ses alliages  Zinc pur – densité (7,14 g/Cm3)  Point de fusion (420°C)  Point d’ébullition (907°C)  Chaleur massique : 390 J/kg.K  Couleur : Gris-bleuté  Cristallographie : Hexagonale compacte (HC)  Bonne coulabilité  Le Zinc est allié pour améliorer ses propriétés mécaniques.  Applications :  Galvanisation à chaud des aciers, Pièces moulées, Anodes sacrificielles, Piles zinc-carbone.  Produits pharmaceutiques, Agriculture (fertilisation des terres)  Pigments (sous forme d’oxydes pour peintures) Lingots de Zinc Tôles en acier galvanisé Piles en anode de zinc Pièces en alliages de zinc Zinc
  • 37. Métaux et alliages non ferreux 6.1. Elaboration du zinc Aujourd’hui, le zinc se place au troisième rang des métaux non ferreux, après l’aluminium et le cuivre. 6.1.1. Matières Premières Le zinc est classé à la 25ème place par rapport aux éléments chimiques existants dans l’écorce terrestre. Il représente 80 ppm (10000 PPM = 1% et 80 PPM = 0,008%). Dans les minerais, l’élément zinc, noté Zn, est très souvent associé aux éléments Pb, Cd, Fe, ainsi que les éléments Cu, bismuth Bi, Sb, As,.. Le principal minerai est la blende (ZnS). Les gisements de blende sont souvent associés aux gisements de galène (sulfure de plomb). On trouve du zinc également dans d’autres minerais : smithsonite (ZnCO3), hémimorphite ou calamine (Zn4Si2O7(OH)2, H2O). Les minerais contiennent entre 4 et 20% de zinc. En 2009, il y a 144 mines en exploitation dans le monde. 6.1.2. Minéralurgie ou concentration Après extraction du minerai, celui-ci subit un traitement physique consistant à éliminer une grande partie de la gangue. Dans le cas des minerais sulfurés, une flottation est généralement effectuée. Elle consiste à séparer du minerai, après broyage plus ou moins poussée, les parties valorisables d’une part et la gangue d’autre part, en jouant sur les propriétés de surface des différents éléments du minerai. Après flottation les concentrés contiennent de 40 à 60 % de Zn (en moyenne 53 %) sous forme de sulfure de zinc ZnS. Lors de la flottation le zinc n'est pas transformé chimiquement, il reste sous forme de sulfure.
  • 38. Métaux et alliages non ferreux 6.1.3. Métallurgie du zinc  Grillage : il est réalisé par chauffage, à 900-1100°C, en présence d'air, selon la réaction : ZnS + 3/2 O2 = ZnO + SO2 ΔrH°298 = - 460 kJ/mole. Lorsque le concentré est riche en fer, ce qui est souvent le cas, il se forme des ferrites, oxydes mixtes de zinc et de fer, selon la réaction : ZnO + 2 FeS + 7/2 O2 = ZnFe2O4 + 2 SO2 Ces ferrites sont insolubles dans l'acide sulfurique dilué utilisé lors des opérations hydro-métallurgiques et leur présence a longtemps été un obstacle à ces opérations. Les autres éléments métalliques qui accompagnent le zinc dans le concentré minier subissent le même type de transformation : les sulfures sont transformés en oxydes. Le dioxyde de soufre SO2 formé, avec une teneur de 6 à 7 % dans le gaz lors du grillage, est récupéré et transformé en acide sulfurique (jusqu'à 2 t de H2SO4/t de Zn).  Le concentré de zinc, après grillage, est appelé calcine. La réalisation industrielle du grillage dépend des procédés métallurgiques de réduction utilisés par la suite. - Si la réduction est effectuée par hydrométallurgie, il faut que la finesse initiale du concentré soit préservée afin de faciliter l'attaque acide. Il faut donc éviter tout frittage de la calcine et opérer le grillage plutôt à basse température (900-950°C). Le grillage se fait en lit fluidisé. - Si la réduction est effectuée par pyrométallurgie (qui concerne les concentrés riches en plomb), selon des techniques proches de celles du haut fourneau, il faut que la calcine puisse supporter la charge du four et donc posséder une bonne résistance mécanique à l'écrasement tout en restant poreuse pour que le monoxyde de carbone puisse la réduire. La calcine est agglomérée par frittage à haute température (1000°C et plus) Dans une machine d’agglomération. La teneur en soufre total doit être la plus faible possible (< 0,5 %).
  • 39. Métaux et alliages non ferreux 6.1.4. Réduction par hydrométallurgie La réduction par hydrométallurgie, qui concerne 90 % de la production, se déroule en 4 étapes successives :  Une dissolution acide appelée lixiviation ;  Une précipitation des ions fer (III) ou fer (II) ;  Une purification par cémentation ;  Une électrolyse qui donne un métal très pur. Un schéma récapitulatif des étapes de l’hydrométallurgie du zinc est présenté ci-dessous :  Lixiviation La calcine est attaquée par une solution diluée d'acide sulfurique (180 à 190 g/L). L'oxyde de zinc passe en solution selon la réaction : ZnO + 2 H+ + SO4 2- = Zn2+ + SO4 2- + H2O Les autres oxydes métalliques présents dans la calcine passent également en solution sous forme de Fe3+, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Co2+, Mn2+ …, sauf l'oxyde de plomb qui donne du sulfate de plomb très peu soluble. La gangue reste insoluble, si celle-ci est siliceuse. La transformation de ZnO et des autres oxydes se traduit par une consommation d’acide et donc une augmentation du pH.
  • 40. Métaux et alliages non ferreux  Elimination des ions Fe3+ Les minerais actuellement traités dans l’industrie sont riches en élément fer. Or au cours de la lixiviation Fe2+ est oxydé en Fe3+ et comme le pH augmente l’hydroxyde de fer (III), Fe(OH)3 précipite. Il faut donc éliminer l’hydroxyde de fer (III), après l’étape de lixiviation.  Purification par cémentation La solution contient, après les lixiviations, outre les ions Zn2+, un certain nombre de cations métalliques (Cu2+, Mn2+, Ni2+, Cd2+…). L’élimination de la plupart d’entre eux est effectuée par cémentation, c’est à dire réduction à l’aide d’un excès important de poudre de zinc. L’emploi de zinc permet d’éviter l’introduction d’ions étrangers. Seuls les ions Zn2+ et Mn2+ resteront en solution, les autres seront réduits selon la réaction : Zn(s) + M2+ (aq) → Zn2+ (aq) + M(s) ( M = Cu, Cd, Ni ou Co) Ces métaux se déposent sur les particules de zinc, d'environ 30 µm de diamètre, en excès et forment un précipité. Une filtration sur toile très fine permet de récupérer les particules de zinc enrobées par les métaux déposés. Ce solide, appelé cément, est traité afin de récupérer les métaux contenus et en particulier le zinc. La solution de Zn2+ est ainsi purifiée des ions susceptibles de se déposer par électrolyse en même temps que le métal Zn.  Électrolyse Elle est réalisée, dans des cuves en ciment revêtue de PVC, vers 30 à 40°C. La solution contient initialement de 125 à 170 g/L de Zn2+.  Les anodes sont en alliage de plomb contenant de 0,5 à 1 % d’Ag inattaquable en milieu sulfate,  Les cathodes sont en aluminium. La cathode d’aluminium est recouverte d’une couche d'alumine qui évite le contact direct du zinc déposé avec l'aluminium et ainsi la formation à l'interface d'un alliage qui empêcherait
  • 41. Métaux et alliages non ferreux  la récupération facile du zinc sans détérioration de la cathode. La tension est comprise entre 3,2 et 3,7 V et l'intensité atteint jusqu'à 115 000 A. Lixiviation Purification Electrolyse → L’électrolyse du zinc peut se résumer suivant le schéma : Le zinc se dépose sur la cathode d'où il est décollé toutes les 24, 48 ou 72 heures par arrachement. La production, par cellules qui contiennent jusqu'à 86 cathodes de 1,6 m2, peut atteindre 3 t/jour. La consommation d'énergie est de 3 000 à 3 500 kWh/t de Zn produit. Le zinc obtenu très pur (99,995 %) contient moins de 50 ppm d'impuretés. Les ions Mn2+ qui restent dans la solution s'oxydent en MnO2 sur l'anode en plomb.
  • 42. Métaux et alliages non ferreux 6.1.5. Pyrométallurgie 10 % de la production mondiale du zinc est produite par pyrométallurgie. Le zinc obtenu est de pureté médiocre, reste à raffiner ensuite.  Réduction par le carbone C’est la réduction de l’oxyde de zinc par le carbone, avec production de zinc vapeur et de monoxyde de carbone. On peut constater sur le diagramme d’Ellingham que le couple CO/C est le seul dont la pente est négative. On peut donc toujours trouver une température au-dessus de laquelle la réduction d’un oxyde quelconque par le carbone est possible. Pour le zinc, cette température est supérieure à 1000°C, alors que sa température d’ébullition Téb sous pression normale est de 907°C. Le zinc est obtenu à l’état de vapeur, ce qui constitue l’originalité de cette métallurgie (le haut fourneau classique donne la fonte liquide). Les autres oxydes qui accompagnaient le zinc (plomb entre autres : Tf = 327,5 °C ; Téb = 1749 °C) sont également réduits à l’état métallique mais les métaux sortent liquides.
  • 43. Métaux et alliages non ferreux Source : « Commodity markets outlook« , World Bank 6.2. Production mondiale du zinc Production mondiale de zinc raffiné 2017 (13,728 millions tonnes) 6.3. Utilisations du zinc Le zinc est utilisé sous diverses formes :  Plaques, feuilles, bandes, sur les toitures, les gouttières (avant le PVC). Il se recouvre alors d’une couche protectrice qui limite sa corrosion. Il est mis en forme par laminage.  Revêtement de l’acier (galvanisation, l’acier est trempé dans du zinc en fusion).  Anodes sacrificielles (pour protéger les coques de navires, citernes enterrées).  Alliages (zamak = Zn, Al, Cu, Mg, pour la fabrication d’outillages de presse, quincaillerie et fonderie). Galvanisation Laiton et bronzes Autres alliages Demi produits Chimie Autres produits Sources : USGS et ILZSG Secteurs d’utilisation du zinc dans le monde (2014)
  • 44. Métaux et alliages non ferreux Anode sacrificielle en zinc Anodes sacrificielles (en zinc) sur la coque d'un bateau Toitures en zinc Seaux galvanisés  Le zinc intervient comme constituant essentiel des laitons : Alliage Cu-Zn de 5 à 45 % en masse de Zn (robinetterie, objets d’art,).  Oxydes ZnO (pigment blanc à jaune pâle, utilisés dans les peintures).  Le Zn est très utilisé dans les produits pharmaceutiques.  Le Zn et aussi utilisé dans l’agriculture pour la fertilisation des terres (sulfates de zinc et oxydes de zinc). 6.4. Recyclage Le zinc récupéré après usage ainsi que les chutes et déchets des usines métallurgiques sont soit réutilisés directement, soit réemployés après refusion (c'est le cas, par exemple, des alliages de fonderie). Le zinc recyclé représente 40 % de la consommation mondiale. Aux Etats-Unis, en 2015, le recyclage, avec 65 000 t, représente 37 % de la production. En Europe de l'ouest, le zinc utilisé comme couverture de toitures et pour recueillir les eaux pluviales est recyclé à 90 % ce qui représente 110 230 t/an.
  • 45. Métaux et alliages non ferreux Bibliographie 1. Michel Colombié et Coll., Matériaux métalliques. 2è édition, DUNOD, 2008. 2. Poulard F. et Coll., Exploitation minière et traitement des minerais. Collection « La mine de France », Tome 6, 2017. 3. Vennekens Ir. R., Notice d’information sur l’aluminium, 2ème partie, Métallerie 49, Spécial soudage, Avril 2003. 4. Institut d’Emission d’Outre-Mer, Le Nickel, Paris, Mai 2005. 5. A quoi sert le nickel ? Le Nickel – SLN, Groupe ERAMET. 6. Association Française de l’Aluminium. 7. Y. Combres, « Métallurgie et recyclage du titane et de ses alliages », Techniques de l’Ingénieur, 2016. 8. http://fr.wikipedia.org/wiki/Cuivre 9. http://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium 10. http://fr.wikipedia.org/wiki/Titane 11. J. L. Vignes, G. André, F. Kapala, l'élémentarium « Données industrielles, économiques, géographiques sur les principaux produits chimiques, métaux et matériaux ». 12. Jean-Louis Vignes, " Du minerai au matériau ", Paris de Sciences : 55èmes journées nationales de l'UdPPC – 26-29/10/2007. 13. https://nptel.ac.in/courses, Non-ferrous extractive metallurgy.