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Métaux et alliages non ferreux
Introduction
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. Dans cette partie nous allons présentés les
métaux non ferreux et leurs alliages lourds comme, le cuivre et ses alliages, le nickel et ses alliages, le
cobalt et ses alliages ainsi que les métaux réfractaires.
Métaux et alliages non ferreux
1. Le Cuivre et ses alliages
 Cuivre pur – densité (8,92 g/Cm3)
 Point de fusion (1083,4°C)
 Point d’ébullition (2567°C)
 Chaleur massique : 380 J/kg.K
 Couleur : Rouge ou rouge orangée
 Structure cristalline : Cubique à faces centrées
 Bonne résistance à la corrosion
 Malléable, ductile et très résistant
 Bonne usinabilité
 Conductibilité électrique et thermique élevée
 Applications :
- Alliages de Bronze, Laitons, maillechorts, etc.
- Biomédical
- Electricité et énergie
- Plomberie et chaudronnerie, etc.
Cuivre
Lingot de Cuivre
Douilles pour balles en
alliage de cuivre
Pièces de cuivre
Fil électrique en cuivre Tubes en cuivre
Métaux et alliages non ferreux
Le cuivre fait partie des métaux non ferreux lourds. Il a une densité de 8,920 g/cm3, plus lourd que l’acier,
une structure cubique à face centrée (CFC), un point de fusion élevée 1085°C et une couleur rouge ou rouge
orangée caractéristique.
Il est utilisé pour tous les ustensiles traditionnels car il a une bonne résistance à la corrosion. Il est aussi
ductile et résistant, ce qui signifie qu’on peut lui donner des formes diverses. Il a une très bonne usinabilité.
Sa conductivité thermique et électrique fait que le cuivre est utilisé pour les systèmes de cuisson et en
électrotechnique.
1.1.1. Matières Premières
La teneur moyenne du cuivre dans l’écorce terrestre est de 55 ppm (0,0055%). Il occupe la 26ème place
parmi les éléments chimiques les plus abondants sur terre.
Des gisements de minerai de cuivre ont été découverts, il y a 4 700 ans, dans le Sinaï par les pharaons
d’Egypte. Le cuivre n’existe plus dans la nature à l’état natif, comme dans l’antiquité. Au cours des siècles,
l'extraction du cuivre s'est faite à partir de gisements de plus en plus pauvres. En 1800, le minerai anglais
titre plus de 9 % de cuivre et presque 6 % vers 1880 mais il est épuisé. Aujourd'hui les sources de cuivre
sont plus discrètes et difficiles à trouver (voir figure : évolution de la teneur en Cu dans les minerais).
1.1. Elaboration du cuivre
Le cuivre se place, aujourd’hui, du point de vue utilisation, au deuxième rang des métaux non ferreux,
après l’aluminium.
Métaux et alliages non ferreux
Évolution de la richesse du minerai de cuivre
Les teneurs des minerais exploités actuellement sont
généralement comprises entre 0,4 et 2 %. Au Chili, en
2015, la teneur moyenne des minerais exploités est de
0,61 %. Les minerais se présentent sous deux formes
chimiques principales qui conditionnent leur traitement :
• Sulfurée : qui représentent 80 % de la production
mondiale sous forme de chalcopyrite (CuFeS2), bornite
(Cu5FeS4), chalcosine (Cu2S)...
• Oxydée (et en forme de carbonates) : avec l'azurite
(2CuCO3,Cu(OH)2), la cuprite (Cu2O)... Les minerais oxydés
sont souvent présents dans les parties supérieures des
gisements, zones d'altérations importantes, le cœur de ces derniers étant sulfuré.
De nombreux autres éléments métalliques sont souvent associés au cuivre : Fe, Ni, Zn, Pb, Co, Mo, Ge,
Au, Ag... Les minerais de cuivre sont une ressource importante de molybdène (54 % de sa production
provient de mines de cuivre). La présence d'autres éléments valorisables peut parfois permettre
l'exploitation de gisement de faible teneur en cuivre. En 2010, pour une production minière de 16 millions
de t de cuivre, les éléments suivants ont été coproduits : molybdène (250 000 t), cobalt (98 000 t), bismuth
(8 500 t), sélénium (2 600 t), tellure (450 t), ainsi que du rhénium, uranium, argent et de l'or.
En 2016 les gisements les plus importants dans le monde se trouvent, par ordre d’importance, en Chili
(3,38 Mt), Indonésie (0,78 Mt), Etats-Unis (0,52 Mt), Mexique (0,51 Mt), Pérou (0,79 Mt) et la Russie (0,43 Mt).
1.1.2. Traitement des minerais
Le traitement des minerais de cuivre (sulfurées ou oxydés) se fait selon deux voies principales :
Voie pyrométallurgique destinée aux minerais sulfurés. Elle concerne, en 2015, 80 % de la production et
nécessite un raffinage ultérieur.
Métaux et alliages non ferreux
Voie hydrométallurgique destinée aux minerais oxydés. Elle concerne, en 2015, 20 % de la production et
ne nécessite pas de raffinage ultérieur. Elle est réalisée dans des installations obligatoirement proches de
l'extraction minière.
Avant le traitement, suivant ses deux voies, le minerai doit être Concentré.
En effet les minerais de cuivre sont très pauvres en cuivre (1 à 4) % et il est nécessaire de leur faire subir un
traitement d’enrichissement. Le minerai est concentré ou enrichi par flottation afin d’éliminer une partie de la
frange et d’amener la teneur en cuivre jusqu'à 25 %.
1.1.2.1. Pyrométallurgie
elle est effectuée en 3 étapes suivies
d'un raffinage :
 Grillage partiel des concentrés vers
550 - 650°C : l'oxydation partielle des
sulfures de fer, présents à des teneurs
élevées systématiquement dans tous les
minerais sulfurés, donne un "mélange"
composé de sulfures de cuivre et de fer et d'oxyde de fer. L’Arsenic As et l’antimoine Sb sont éliminés sous forme
de composés volatils et récupérés.
 Fusion pour matte : la poursuite de l'oxydation, à 1100-1200°C, a lieu après la fusion des concentrés.
Métaux et alliages non ferreux
L'oxyde de cuivre formé réagit avec le sulfure de fer restant selon la réaction :
Cu2O + FeS Cu2S + FeO
FeO passe, sous forme de silicates, dans les scories qui surnagent sur une matte fondue (formée de Cu2S et
FeS restant). La plus grande partie du fer est ainsi éliminée ainsi qu'une partie du plomb. La fusion a lieu dans
des fours réverbères ou électriques.
 Conversion : poursuite de l'oxydation de la matte liquide par de l'air ou du dioxygène, vers 1300°C, en deux
étapes dans des convertisseurs :
1ère phase de soufflage scorifiant : élimination totale du fer et des autres éléments métalliques plus
oxydables que le cuivre qui passent dans des scories. Il reste Cu2S appelé matte blanche.
2ème phase de soufflage pour cuivre selon la réaction :
Cu2S + O2 2 Cu + SO2
On obtient du cuivre noir,
appelé blister, contenant de
98 à 99,5 % de Cu. Il reste un
peu de Cu2O. Le dioxyde.
de soufre est récupéré pour
produire de l'acide sulfurique,
avec une production moyenne
de 2,7 t d’acide par t de cuivre.
Métaux et alliages non ferreux
L’affinage électrolytique du cuivre a deux buts essentiels :
- Obtenir du cuivre pur, ce qui conduit à l’augmentation de la
conductibilité électrique et la capacité de déformation.
- L'extraction des métaux purs (Au, Ag).
L’électrolyse du cuivre s’effectue dans une solution d’acide
sulfurique de 40 à 60°C avec une densité de 200A/m2 (0,2 à 0,3)
V. Le cuivre destiné à l’électrolyse est préparé sous forme de
panneaux plats qui jouent le rôle d’anodes.
Le cuivre et les éléments qui l’accompagnent tels que Ni, Zn
etc. sont dissous de l'anode dans l’électrolyte mais ne
l’accompagnent pas dans la cathode à cause de leur potentiel de
séparation (précipitation). Les autres éléments tels que l’Au, Ag,
Purification du cuivre
Raffinage du blister : principalement par électrolyse à anode soluble.
As et Sb coulent lentement à partir de l’anode en formant une boue anodique, cette dernière est traitée pour
en extraire l’argent et l’or. Un bon cuivre électrolytique, renferme jusqu’à 99,98 % Cu.
1.1.2.2. Hydrométallurgie
Le traitement des minerais par ce procédé entraîne une pollution atmosphérique nettement plus faible que
lors des opérations pyrométallurgiques, mais les métaux précieux restent dans la gangue et ne sont donc pas
récupérés. Ce procédé concerne, principalement les minerais "oxydés" facilement solubles.
L'hydrométallurgie des minerais de cuivre comporte trois opérations successives (le procédé est
dénommé SX/EW (Solvent extraction and electrowinning) : extraction par solvant/électroextraction) :
Une dissolution des minerais par lixiviation généralement réalisée à l'aide d'acide sulfurique (1 à 15 g
d'acide/L). Lorsque la gangue est basique (calcaire ou dolomitique), le coût de la lixiviation acide devient
excessif, elle est remplacée par une lixiviation à l'aide d'une solution aqueuse d'ammoniac. La solution
obtenue titre de 1 à 6 g de Cu2+ par litre, concentration trop faible pour pouvoir subir une électrolyse, car
sa faible conductivité entraînerait une résistance élevée au passage du courant électrique et une
consommation d'énergie importante par effet Joule.
Une extraction par un solvant spécifique (organique) et après dé-extraction à l'aide d'acide sulfurique
(160 à 260 g d'acide/litre) d'obtenir une solution contenant de 40 à 70 g de Cu2+/litre.
Une électrolyse de la solution aqueuse contenant Cu2+.
Métaux et alliages non ferreux
1.2. Production mondiale du cuivre
La Chine est le premier producteur de cuivre avec presque
38% et, avec le chili, ils détiennent à eux seul 48% de la
production mondiale en 2017. Viennent, par la suite, le Japon,
les Etats unis, la Russie et d’autres pays.
Concernant la consommation mondiale de ce métal, c’est la
Chine, évidemment, qui occupe la première place avec presque
50% de la production mondiale en 2017 (même source).
Source: World Bureau of Metal Statistics (September 2017)
Métaux et alliages non ferreux
1.4. Utilisation du cuivre
Si le cuivre est autant recherché, c'est sans aucun doute
pour ses propriétés remarquables. Grâces à cela, les
domaines d'application du cuivre sont diversifiés. Ceci
explique en grande partie pourquoi le cuivre est si
demandé.
• Applications électriques et mécaniques du cuivre
A cause de sa conductivité thermique et électrique, le
cuivre est utilisé dans les équipements électriques et
électroniques, la fabrication de radiateurs pour les PC et les
Poignées des portes des hôpitaux
Câbles de télécommunication
voitures, les tubes à vide, etc. De manière plus générale, ce métal est
aussi utilisé dans le domaine de la télécommunication, le transport,
les énergies renouvelables et le bâtiment.
• Applications dans le biomédical
Très utilisé dans le secteur médical, le cuivre est apprécié pour sa
propriété anti-bactérienne. Pour éviter les contagions, les poignées
des portes des hôpitaux sont faites en cuivre. A part ces applications,
le cuivre-64 est utilisé en imagerie médicale et dans le traitement du
cancer par radiothérapie.
1.5. Alliages de cuivre
Le cuivre pur n’est employé que pour ses propriétés de conductibilité électriques. Par contre, la présence
d’inclusions même en très faibles proportions, change profondément ses propriétés. Parmi les inclusions, on
peut citer brièvement :
- Celles qui forment des solutions solides : Zn, Sn, Ni, Al, ….
- Celles qui sont insolubles dans le cuivre : Pb, Bi.
- Celles qui forment avec le cuivre des combinaisons fragiles, (Cu2O et Cu2S) qui
entrent dans la composition de l’eutectique.
Les alliages de cuivre possèdent de hautes propriétés mécaniques et technologiques et résistent bien à
l’usure et à la corrosion.
On distingue deux groupes essentiels d’alliages de cuivre fortement alliés :
a. Les laitons : composés de cuivre et de zinc (Cu-Zn).
b. Les bronzes : composés de cuivre et d’étain (Cu-Sn) et d’autres éléments.
c. Les cupro-nickels et les cupro-aluminiums.
1.5.1. Les laitons (Alliages Cu-Zn)
Les alliages de cuivre qu’on peut élaborer, par addition de d’autres éléments, sont nombreux. Les plus
importants d’entre eux sont les laitons qui contiennent le zinc comme élément d’addition à des teneurs qui
varient entre 5 et 40%. Le zinc va se substituer aux atomes de cuivre dans le réseau cristallin de ce dernier,
formant ainsi une solution solide de substitution. La raison est que les atomes de Cu et de Zn ont presque la
même taille (rCu ≈ rZn = 1,35) (voir diagramme Cu-Zn).
Métaux et alliages non ferreux
Métaux et alliages non ferreux
Diagramme binaire Cu-Zn
Jusqu’à 60 % Zn, il se compose de trois phases : α, β et γ. La
solubilité maximale de zinc dans les cristaux mixtes α a
pour valeur 39 %. La phase α est une solution de zinc dans
le cuivre à réseau CFC de cuivre.
Les alliages avec une teneur en zinc supérieure à 50 %,
ne sont pas techniquement intéressants parce que les
phases formées sont dures et fragiles. Le plus souvent, la
structure des laitons se compose de phase α ou α + β’.
De tous les alliages de cuivre, les laitons sont ceux qui
présentent la plus grande facilité d'emploi. Ils peuvent être
utilisés sous toutes les formes de demi-produits, et leur
mise en œuvre peut être opérée par tous les procédés de
moulage, matriçage, décolletage, emboutissage, etc.
Le laiton est par excellence l'alliage du décolletage, c’est-
à-dire de l'usinage de pièces sur tour automatique, et du matriçage, qui consiste en une déformation à chaud
d'un lopin de métal par pression instantanée dans une matrice.
On peut améliorer les propriétés des laitons par additions de d’autres éléments tels que :
 Aluminium (Al) et étain (Sn) qui donnent une excellente résistance à la corrosion par la formation d’une couche
protectrice.
 Plomb (Pb) jusqu’à 3% qui facilite l’usinage et améliore les propriétés antifriction. Ces alliages sont utilisés pour
la visserie, la robinetterie et les pièces d’horlogerie.
 Nickel (Ni) qu’on utilise des teneurs allant jusqu’à 3 %. Il donne à l’alliage une résistance mécanique élevée et
une bonne résistance à la corrosion dans l’eau douce, l’eau de mer, la vapeur et les acides dilués.
Les laitons sont surtout utilisés en :
 Quincailleries (vis, poignées, …)
 Bijouterie
 Eléments décoratifs pour le mobilier
 Robinetterie
 Fabrication d’instruments de musique
 Instrument de construction navale (boussole, hélices, …)
Métaux et alliages non ferreux
Parmi les alliages de laitons on peut citer : CuZn4 ; CuZn10 ; CuZn15 ; … ; CuZn37 ; CuZn36Pb1 ; CuZn40Pb2 ; …
1.5.2. Les bronzes (Alliages Cu-Sn)
Ce sont des alliages composés de Cu-Sn, dont la
teneur en Sn est de 3 à 20 %. Jusqu’à 5% Sn, ils
possèdent une couleur rouge et elle passe au jaune à
partir de 15 % de Sn. Ils sont utilisés surtout en fonderie
grâce à leurs bonnes propriétés de moulage. Ils
présentent une bonne tenue à la corrosion, mais de
mauvaises qualités d’usinage.
Le diagramme d’équilibre de l’alliage de bronze est
donné par la figure ci-contre. La phase α est une solution
solide de l’étain dans le cuivre à réseau CFC. La solubilité
limite atteint 15 %. Elle est malléable à chaud et à froid.
Diagramme binaire Cu-Sn
Dans la pratique, on utilise uniquement les bronzes avec une teneur en Sn jusqu’à 12 % car les alliages les
plus riches en étain sont très fragiles à cause de la phase δ.
Les bronzes se divisent en deux groupes : les bronzes de corroyage et ceux de fonderie.
a. Les bronzes de corroyage
La teneur en Sn est de 4 à 6 % et les autres teneurs maximales en P : 0,4 %, en Zn : 4 %, en Pb : 4,5 %. Ils
sont élaborés sous formes de barres, plats, fils, aux états écrouis (durs) et recuits (doux). Ils sont destinés
pour la fabrication des ressorts et des éléments élastiques. Les bronzes à l’étain, de corroyage, sont
constitués de la solution α.
b. Les bronzes de fonderie
Ils contiennent une grande quantité de zinc, de phosphore et souvent de plomb. Ils possèdent une structuré
biphasée, composée de solution solide α et d’inclusions de la phase δ durs et fragiles, qui, généralement font
partie de la structure de l’eutectoïde.
Métaux et alliages non ferreux
Monnaie romaine en bronze Engrenages de montres en bronzeLustre en bronze Coussinets autolubrifiants
Métaux et alliages non ferreux
Les bronzes à l’étain sont généralement alliés aux Zn, P, Ni, Pb et à d’autres éléments.
•Le zinc améliore les propriétés technologiques du bronze et le rend moins cher.
•Lorsque la teneur en phosphore est supérieure à 0,3 %, il forme la phosphure Cu3P qui améliore les propriétés
élastiques et antifrictions. Le phosphore est un élément qui améliore la coulabilité.
•Le nickel améliore les propriétés mécaniques, la tenue à la corrosion et la densité des pièces moulées tout en
diminuant la ségrégation.
•L'addition du plomb diminue les propriétés mécaniques des bronzes, mais facilite l’usinage et améliore les
propriétés antifrictions. Les bronzes au Pb sont utilisés pour la fabrication des coussinets et des glissières.
1.5.3. Les cupro-aluminium (Cu-Al)
La teneur en Al varie de 4 à 14 %. Ils sont caractérisés par de bonnes propriétés mécaniques et par une
résistance élevée à la corrosion marine, à la corrosion sous tension et à la fatigue par corrosion. Ils sont surtout
utilisés pour la fabrication de bagues de toute sorte, de sièges de guidage, de roues dentées, etc.
Les bronzes à l’aluminium, résistent bien à la corrosion et possèdent des propriétés mécaniques et
technologiques élevées. Ils se présentent facilement au corroyage à chaud et à froid pour des additions de 7 à 8
% Al. Leurs bonnes propriétés de fonderie permettent de les employer pour toute sorte de moulage.
1.5.4. Les cupro-nickel (Cu-Ni)
Les alliages Cu-Ni contiennent de 5 à 45% Ni. Le diagramme d’équilibre Cu-Ni comporte une solution solide
unique puisque le cuivre et le nickel sont solubles en toutes proportions. Les bronzes au nickel résistent bien à
la corrosion par l’eau de mer. Les nuances industrielles sont alliées avec du silicium et du manganèse (Cu-Ni-Si,
Cu-Ni-Mn) dans les proportions suivantes :
- Composition de l’alliage Cu-Ni-Si : 0,5 à 4 % Ni, 0,15 à 1 % Si et le reste Cu.
- Composition de l’alliage Cu-Ni-Mn : 20 % Ni, 20 % Si et le reste Cu.
Les alliages contenant plus de 20 % Ni sont très malléables et résistent remarquablement à la corrosion de
l’eau de mer. Ils sont utilisés pour la fabrication des monnaies avec 25 % Ni.
Métaux et alliages non ferreux
1.5.5. Les maillechorts (Cu-Ni-Zn)
Les maillechorts sont des alliages de Cu (40 à 66%),
de Ni (9 à 32%) et de Zn (17 à 45%). Ils ont des
propriétés intermédiaires entre celles des laitons et
celles des cupronickels. On distingue les alliages
monophasés qui sont malléables et les alliages
diphasés qui sont facilement usinables et forgeables à
chaud.
Les maillechorts sont des alliages blancs, durs et
inaltérables que l’on utilise dans la fabrication de
pièces d’orfèvrerie, d’instruments scientifiques, des
résistances et d’appareillages électriques.
Nickel
 Nickel pur – densité (8,9 g/Cm3)
 Point de fusion (1455°C)
 Point d’ébullition (2 913 °C)
 Chaleur massique : 440 J/kg.K
 Couleur : Blanc argenté, reflet gris
 Structure cristalline : Cubique à faces centrées (CFC)
 Le Nickel est ferromagnétique aux températures ordinaires
 Application :
 Batteries rechargeable Nickel-hydrure métallique (Ni-MH)
 Métal monel :
- Alliages Ni-Cu avec traces Fe, Mn, Si, C
- Tubes échangeurs de chaleur, agroalimentaire, marine
- Grande résistance à la corrosion
 Superalliages (Ni-Cr) : Aubes de turbine
 Aciers inoxydables
 Alliages à mémoire de forme, Catalyseurs
Nickel
Batterie rechargeable Ni-MH
Aubes de turbine pour
les moteurs aéronautiques
Métaux et alliages non ferreux
2. Le Nickel et ses alliages
2.1. Elaboration du Nickel
Le Nickel a une densité (8,9 g/cm3) proche de celle du cuivre, et aussi une structure semblable CFC mais
avec un point de fusion assez élevé 1455°C. Il a un éclat métallique blanc argenté.
2.1.1. Matières Premières
La teneur moyenne de l'écorce terrestre est d'environ 84 ppm (0,0084 %). Il occupe la 24ème place parmi les
éléments chimiques les plus abondants sur terre. Les minerais sont de deux types :
 Sulfurés (65 % de la production), sous forme de pentlandite (Ni,Fe)9S8 associée, en général, à de la
pyrrhotite (Fe7S8), de la pyrite (FeS2) et de la chalcopyrite (CuFeS2).
Les minerais ont des teneurs de 0,7 à 3 % de nickel et contiennent du cuivre (~1 %), du chrome, du cobalt,
de l'argent et de l'or, qui sont récupérés. Ils sont concentrés par flottation à des teneurs de 10 à 15 % de Ni.
Ces minerais sont exploités en Russie, au Canada, en Australie de l'Ouest, en Chine.
 Oxydés (35 % de la production de Ni). Ces minerais ne contiennent pas de cuivre ni de métaux précieux,
mais renferment du cobalt. La principale source d'extraction de ce type de minerai se situe en Nouvelle-
Calédonie où elle apparaît sous la forme de Garniérite : 3NiO,3MgO,2SiO2, 2H2O (concentration en nickel 3 à
5% et contient outre MgO et SiO2, 10 à 30% de fer et cobalt).
2.1.2. Métallurgie extractive
Les procédés métallurgiques et techniques d’affinage dépendent des minerais traités :
 Les minerais sulfurés sont exploités dans des mines souterraines. Le nickel extrait est concentré par voie
physique et traité dans des fours par pyrométallurgie.
 Les minerais oxydés, présents en Nouvelle-Calédonie, sont exploités dans des mines à ciel ouvert. Le nickel
qu’il contient peut ensuite être traité suivant deux procédés : pyrométallurgique ou hydrométallurgique.
Métaux et alliages non ferreux
Les garniérites, plus riches en Nickel, sont traitées par pyro-métallurgie. Le traitement conduit à la
production de ferronickel (25 % Ni) et des mattes à haute teneur (~75% Ni) (voir schéma ci-dessous).
Métaux et alliages non ferreux
Minerais oxydés : Garniérite (1 à 3% de Ni)
Préparation du minerai (broyage + calcination)
Pyrométallurgie (fusion – réduction)
Affinage des ferronickels
(désulfuration + oxydation
du silicium et carbone)
Affinage des mattes
(sulfuration +
élimination du fer)
Matte (76% Ni, 18% S
et 3,5% Fe)
Hydrométallurgie
Solution
commerciale de
NiCl2 pour nickelage
Electrolyse
Ferro-nickel affiné
20 % de mattes80% de ferro-nickel
brut
Lingots de nickel
haute pureté
Minerai de nickel en
Nouvelle-Calédonie
Schéma des étapes d’extraction du nickel de la garniérite
pour la fabrication de nickel de haute pureté
Les mattes sont par la suite traitées par Hydrométallurgie pour obtenir directement le NiCl2 utilisé pour
nickelage ou passer à l’étape d’électrolyse pour produire des lingots de nickel de haute pureté.
2.2. Procédé Mond pour l’élaboration du nickel pur
Le procédé Mond est le processus de carbonylation du nickel. En effet, parmi les métaux, le nickel présente
la caractéristique de pouvoir former, en présence de monoxyde de carbone, du tétracarbonyle de nickel Ni(CO)4
gazeux à 50 °C qui, lorsqu'il est chauffé à une température de 220 à 250 °C se redécompose en nickel
métallique pur et en monoxyde de carbone.
La matte, peut être directement affinée par carbonylation suivant les réactions :
1. Le résidu métallique est traité au monoxyde de carbone CO à une température d'environ 50 à 60 °C pour
être carbonylé, seul le nickel réagissant au CO dans ces conditions pour former un carbonyle gazeux :
Ni(s) + 4 CO(g) → Ni(CO)4(g)
2. Ensuite le mélange gazeux de monoxyde de carbone et de tétracarbonyle de nickel est alors chauffé à une
température d'environ 220 à 250 °C pour décomposer le Ni(CO)4, qui donne du nickel métallique :
Ni(CO)4(g) → Ni(s) + 4 CO(g)
La décomposition du tétracarbonyle de nickel se fait généralement en faisant passer le gaz au travers un lit
de billes de nickel (catalyseurs) chauffées à 240 °C.
Le nickel obtenu est très pur. On peut produire, par cette méthode, directement du nickel sous forme de
poudre métallique qu’on peut utiliser en métallurgie des poudres.
En 2009, ce procédé concerne presque 300 000 tonnes par an de nickel sur les 1 500 000 tonnes de nickel
primaire produites dans le monde.
Métaux et alliages non ferreux
Métaux et alliages non ferreux
Chine 624 Australie 112
Indonésie 205 Nouvelle Calédonie 104
Japon 188 Norvège 87
Russie 159 Brésil 69
Canada 158 Finlande 60
2.3. Production mondiale du Nickel
La Chine, l’Indonésie, le Japon, la Russie et le Canada sont les principaux producteurs de nickel en 2018.
Viennent par la suite l’Australie, Nouvelle Calédonie (France), et d’autres pays.
Source : International Nickel Study Group
Production en milliers de tonnes 20182.4. Utilisation du Nickel
 Aciers inoxydables (« inox »)
Le nickel est un métal très largement utilisé dans
l'industrie pour l’élaboration des aciers inoxydables et
d'autres métaux nécessaires notamment dans le
secteur de l'aéronautique.
L’acier inoxydable est un matériau qui présente
Service de table en inox Architecture en inox
d’excellentes propriétés d’hygiène. Il est utilisé pour fabriquer des équipements ménagers, de
l’électroménager, dans l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique ainsi que du matériel chirurgical etc.
 Alliages à base de nickel
• Superalliages
Le développement de l’aviation moderne
(réacteurs) s’est largement appuyé sur le
développement des superalliages qui utilisent du
métal dont la teneur en nickel est élevée
(supérieure à 45 %) en association avec d’autres
métaux (notamment le cobalt et le chrome).
Ses alliages sont utilisés dans les pièces d’attache des trains d’atterrissage des Airbus mais aussi de leurs
ailes et des turbines d’avion, grâce notamment aux propriétés exceptionnelles du nickel.
Les superalliages ont la capacité de conserver des bonnes propriétés mécaniques très stables malgré les
températures de plus en plus élevées de fonctionnement des réacteurs.
• Alliages nickel-fer
La production et le transport des gaz industriels, ainsi que du gaz naturel liquéfié, à de très basses
températures rendent indispensable l’usage de certains alliages nickel/fer.
D’autres alliages nickel/fer sont utilisés dans les appareils de mesure, les écrans de téléviseurs, les semi-
conducteurs.
 Galvanoplastie (revêtement de métal pur) : Le nickel procure un aspect brillant et une résistance à la
corrosion atmosphérique (robinetterie, quincaillerie, tubes…).
 Batteries rechargeables : Batteries de secours, téléphones, ordinateurs portables, automobiles électriques
et hybrides.
 Monnaies : Dans de nombreux pays, il existe des pièces de monnaie soit en nickel pur (cas du franc français
jusqu’à l’introduction de l’euro), soit en alliages cuivreux contenant du nickel (pièces de 1 et 2 euros).
Métaux et alliages non ferreux
Batterie rechargeable en Ni Pièce de 1 euro en
alliage Cu/Ni
 Autres : Le nickel est très utilisé comme catalyseur dans l’industrie chimique, pétrochimique, alimentaires, etc.
2.5. Recyclage
Le recyclage fournit 50 % du Ni destiné à la production des
aciers inoxydables (Ni contenu dans les aciers inoxydables est
réutilisé lors du recyclage de ces aciers). Aux Etats-Unis, en
2015, on a recyclé presque 11000 t qui représentent 45 % de la
consommation. Dans l'Union européenne, le taux de recyclage
est de 45 %.
Métaux et alliages non ferreux
Cobalt
 Cobalt pur – densité (8,9 g/Cm3)
 Point de fusion (1495°C)
 Point d’ébullition (2927 °C)
 Chaleur massique : 420 J/kg.K
 Couleur : Blanc argenté, reflet gris
 Structure cristalline : Hexagonal compact (HC)
 Le Cobalt est ferromagnétique à température ordinaire.
 Application - Production des alliages de haute performance.
 Alliages à base de Co résistants à l’usure et corrosion.
 Outils de coupe avec additions de cobalt pour augmenter la
résistance à la chaleur et à l’usure.
- Superalliages, aimants.
- Batteries cobalt-lithium ions.
- Pigments (oxyde de cobalt) donnant la couleur bleue.
- Catalyseurs et autres.
Cobalt
Batterie rechargeable Co-Li
Vase en verre bleu cobalt
3. Le Cobalt et ses alliages
3.1. Elaboration du Cobalt
De symbole Co, de numéro atomique 27 et de masse atomique 59, le cobalt est un métal de transition
proche du fer, de couleur gris argenté lorsqu’il est pur. Il a une structure hexagonale compacte (HC), une
densité semblable à celle du Nickel 8,9 g/cm3, un point de fusion également élevée 1495°C et un module
d’élasticité, proche de celui des aciers, d’environ 209 GPa.
Métaux et alliages non ferreux
3.1.1. Matières premières
La teneur de l'écorce terrestre est comprise entre 25 et 29 ppm de cobalt.
Minerais : Ils sont très nombreux sous forme d'oxydes, carbonates, sulfures, arséniures (smaltite : CoAs2),
thioarséniures (cobaltite : CoAsS), etc. de teneurs variant de 0,5 à 2,5 % de Co. Dans les gisements exploités, le
cobalt est, en général, associé au cuivre ou au nickel. Le cobalt est co-produit de l'extraction de minerais de
cuivre en République Démocratique du Congo (DRC) et en Zambie. En Afrique du Sud, le cobalt est, en partie,
co-produit de l'exploitation de métaux précieux (Ag, Au, etc..). La seule mine exploitant exclusivement un
minerai de cobalt, de la smaltite (CoAs2), est celle de Bou Azzer au Maroc.
3.1.2. Métallurgie
Les minerais de cuivre-cobalt sont soit traités par voie pyrométallurgique puis hydrométallurgique soit traités
directement par voie hydrométallurgique.
 Dans le cas d'un traitement par pyrométallurgie puis hydrométallurgie, le minerai après ajout de coke
(10 % de la masse du minerai) est réduit au four électrique. La consommation d'énergie est de 12 000 kWh/t
de Co. On obtient une scorie contenant 15 % de Co qui est recyclée, un alliage "blanc" contenant 42 % de Co,
15 % de Cu, 39 % de Fe et un alliage "rouge" à 89 % de Cu, 4 % de Co, 4 % de Fe. Le cobalt de ce dernier
alliage est récupéré lors des opérations de métallurgie du cuivre. L'alliage blanc est dissous à chaud dans
H2SO4. Le cuivre est précipité par cémentation à l'aide de fer. Le cobalt est précipité en milieu basique (ajout
de chaux) par du carbonate de sodium. On obtient du carbonate de cobalt.
 Dans le cas des minerais traités par voie hydrométallurgique, l’opération consiste à réaliser une lixiviation
sous pression, environ 10 atm., vers 150°C, en présence d'acide sulfurique et de dioxygène. Après
neutralisation et élimination de l'alumine et de l’oxyhydroxyde de fer, les éléments Cu2+, Co2+ et Ni2+ sont
extraits par des solvants spécifiques.
Métaux et alliages non ferreux
3.2. Production et utilisation du Cobalt
Une particularité du marché du cobalt est que les pays producteurs (production mondiale 2018 : 135850 t de
Cobalt contenu) sont rarement les mêmes que ceux qui raffinent le matériau. Par exemple, la Chine raffine à
elle seule presque la moitié de la production mondiale.
RD du Congo
71%
Russie 5 %
Cuba 4%
Australie 4%
Philippines 4%
Chine 3%
Nlle Guinée 3%
Canada 3%
Madagastar 3%
Répartition de la production mondiale
en Cobalt contenu 2018 (Elémentarium)
Chine 78 360 Australie 3 200
Finlande 12 874 Madagascar 2 852
Belgique 6 360 Nouvelle Calédonie 2 104
Canada 6 152 Russie 1 800
Norvège 4 200 Maroc 1 619
Japon 3 669 Zambie 1 613
Sources : Elémentarium
Production en t de Cobalt raffiné
3.2.1. Exemple d’utilisation du Cobalt
Le cobalt est utilisé dans l’industrie des batteries qui consomme à
elle seule 43% du cobalt produit, vient par la suite l’élaboration des
alliages (19%), outils de coupe (9%), catalyse (9%), les pigments, les
aimants, les cosmétiques et autres.
Parmi les nombreux alliages spéciaux où le cobalt est employé on
peut citer :
Utilisation industrielle du Cobalt
 Les alliages thermiquement résistants, appelés superalliages, et
contenant du cobalt sont utilisés dans l'industrie et dans les moteurs
à turbine des avions. Les superalliages (exemple de composition :
cobalt : 30 %, chrome : 20 %, nickel : 20 %, fer : 14 %, molybdène : 10
%, tungstène : 5 %.), sont des alliages réfractaires pour turbines à
gaz, turboréacteurs (moteurs d'avions) dans l'aéronautique et
l'armement.
Métaux et alliages non ferreux
Outils de coupe
Le cobalt trouve aussi son application :
 Dans le cobaltage de métaux par électrolyse, ce qui les recouvre d'un brillant plus résistant à l'oxydation
que le nickel.
 Dans l'industrie des métaux frittés (métallurgie des poudres), le mélange cobalt-carbure de tungstène (Co-
WC) est particulièrement résistant (dureté de 90% à 95% de celle du diamant). Il est employé pour fabriquer
des dents de scies, foreuses, forets, mèches perceuses.
 Les dérivés du cobalt sont utilisés principalement comme colorant ou
pigment. L'utilisation du cobalt en céramique est très ancienne, on la retrouve
dans les porcelaines chinoises et dans les poteries des anciennes civilisations
d'Égypte.
L'oxyde de cobalt est le plus puissant des oxydes colorants. Il conserve sa
couleur bleue quelle que soit l'atmosphère de cuisson et dans toute la gamme
des températures de cuisson des céramiques traditionnelles.
Bleu de cobalt
Métaux et alliages non ferreux
4. Métaux réfractaires
Le terme ‘métal réfractaire’ est utilisé pour décrire un groupe d’éléments métalliques qui ont des points de
fusion élevés et qui sont résistants à l’usure à la corrosion et à la déformation.
Les utilisations industrielles du terme ‘réfractaires métalliques’ se réfèrent souvent à cinq éléments couramment
utilisés : Molybdène (Mo), Niobium (Nb), Rhénium (Re), Tantale (Ta) et Tungstène (W)
Leurs propriétés physiques sont données dans le tableau ci-dessous :
Métal
Molybdène
Mo
Niobium
Nb
Rhénium
Re
Tantale
Ta
Tungstène
W
Masse atomique 95.94 92.90 186.31 180.95 183.85
Structure cristalline CFC CFC HC CFC CFC
Module d’élasticité, GPa 324 103 469 185 400
Dureté Vickers, MPa 1530 1320 2450 873 3430
Densité à 20°C, g/cm3 10.22 8.57 21.04 16.6 19.25
Point de fusion, °C 2610 2468 3180 2996 3410
Point d’ébullition, °C 5560 4927 5760 5427 5700
Propriétés physiques des métaux réfractaires purs
4.1. Caractéristiques
Le point commun des métaux réfractaires est leur résistance à la chaleur. Les cinq métaux réfractaires
industriels ont tous des points de fusion supérieure à 2000 °C.
La résistance des métaux réfractaires à des températures élevées, en association avec leur dureté, leur
fait l’idéal pour la découpe et outils de forage.
Les métaux réfractaires sont également très résistants aux chocs thermiques, ce qui signifie que le
chauffage et le refroidissement répété ne provoquera pas de fatigue ou fissuration.
Tous les métaux ont des densités élevées (ils sont lourds) ainsi que de bonnes propriétés électriques et de
conductivité thermique.
Une autre propriété importante est leur résistance au fluage, la tendance des métaux à se déformer
lentement sous l’influence d’un effort.
En raison de leur capacité à former une couche protectrice, les métaux réfractaires sont également
résistants à la corrosion, mais ils s’oxydent facilement à des températures élevées.
Métaux et alliages non ferreux
4.2. Métaux réfractaires et métallurgie de poudres
En raison de leurs hauts points de fusion et de leur dureté, les métaux réfractaires ne sont jamais fabriqués
par moulage mais ils sont traités le plus souvent sous forme de poudre.
Les poudres métalliques sont produites en des tailles et formes spécifiques, puis mélangées pour créer de
bonnes propriétés, avant d’être compactées et frittées.
Le frittage consiste à chauffer la poudre métallique (dans un moule) pendant une longue période de temps.
Sous l’effet de la chaleur, les particules de poudre commencent à se souder, formant une pièce solide. Le
frittage peut lier les métaux à une température inférieure à leur point de fusion, un avantage significatif
lorsque on travaille avec les métaux réfractaires.
4.3. Molybdène
Métaux et alliages non ferreux
Le molybdène est utilisé principalement, à près de 80 %, pour renforcer la résistance mécanique des aciers ,
à haute température, en formant des carbures durs et stables, et leur résistance à la corrosion.
Dans les aciers inoxydables, le molybdène renforce la protection contre la corrosion apportée par le chrome.
Il entre dans la composition des aciers inoxydables utilisés en milieu marin.
Le molybdène métallique possède d’excellentes propriétés à haute température, mais la formation d’oxyde
volatil dès 600°C, limite son utilisation à des milieux réducteurs, sous vide ou à l’abri de l’air. Par ailleurs, sa
grande conductibilité thermique et électrique le fait utiliser dans des composants électroniques, en
microélectronique, dans des cellules photovoltaïques, comme électrode arrière, sous forme de couche mince
de 500 à 1000 nm d’épaisseur.
4.4. Tantale
Le tantale est extrêmement résistant à la corrosion dû à la formation d'un film d'oxyde. Il est également
résistant à l'attaque par les acides (à l'exception de l'acide fluorhydrique).
Le tantale peut être utilisé en remplacement du platine pour des appareils de laboratoire nécessitant une
bonne résistance à la corrosion. Le métal est également utilisé dans
l'industrie chimique pour des raisons semblables.
Le corps humain est compatible avec ce métal et, par conséquent,
il est utilisé pour des implants chirurgicaux sans risque de rejet.
Le métal pur est utilisé dans l'industrie électronique pour la fabrication
de divers types de matériels électroniques (redresseurs , condensateurs,
filaments de lampes, etc.). On utilise également le tantale dans les
systèmes à vide grâce à son fort taux d'absorption des gaz résiduels.
condensateurs à base de tantale
(Wikipédia)
Sa résistance exceptionnelle justifie l’utilisation d’acier au niobium dans plusieurs applications :
 Les fusées et les satellites (Apollo 11 était fait à 60 % en acier au niobium).
 Le niobium est utilisé pour la fabrication d'implants grâce à sa forte biocompatibilité.
 Des alliages de niobium avec le zirconium, le molybdène, le vanadium, le chrome ou le tungstène sont aussi
utilisés comme métal d’apport pour souder à l’arc certains aciers inoxydables.
 La joaillerie. Le niobium est, avec l’or, le seul métal qui se laisse forger à froid par l’artisan. Sa coloration par
anodisation est similaire à celle des autres métaux réfractaires tels que le titane.
 C'est également le matériau parfait pour la fabrication de câbles et aimants supraconducteurs, grâce à sa
température de transition élevée.
4.6. Rhénium
Le rhénium résiste fortement à la corrosion et est particulièrement ductile. Ses principales applications sont :
Métaux et alliages non ferreux
Le niobium, comme le tantale, est résistant à de nombreux produits chimiques et peut être facilement mis
en forme même à basse température.
Le niobium est un métal spécifique car il atteint un haut degré de résistance tout en étant relativement léger.
4.5. Niobium
 Les superalliages à base nickel : le rhénium est un élément de composition de ces alliages pour la
fabrication de pales monocristallines de turbines destinées à des turboréacteurs et à des turbines industrielles
à gaz. Il permet d’accroître leur résistance thermique en particulier dans les zones proches de la chambre de
combustion.
 Les catalyseurs : des catalyseurs Pt-Re sont utilisés dans le reformage catalytique du pétrole.
 Dans la composition de résistances de fours électriques.
4.7. Tungstène et ses alliages
Le tungstène est un métal argenté mat avec le point de fusion le plus élevé de n’importe quel autre métal pur.
Egalement connu sous le nom de wolfram, d’où le symbole W, le tungstène est plus résistant à la fracture que le
diamant et est beaucoup plus dur que l’acier.
Ses propriétés uniques, sa résistance et sa capacité à résister aux températures élevées, le rendent idéal pour
de nombreuses applications industrielles.
4.7.1. Production
Le Tungstène est principalement extrait de deux types de minéraux : wolframite ((Fe,Mn)WO4) et scheelite
(CaWO4). Cependant, le recyclage de tungstène représente aussi environ 30 % de l’approvisionnement mondial.
La Chine est le plus grand producteur mondial du métal, fournit plus de 80 % de l’approvisionnement mondial.
Une fois que le minerai de tungstène est traité et séparé par hydrométallurgie, la forme chimique,
paratungstate d’ammonium (APT) (NH4)10(W12O41)·5H2O, est produite. Le APT peut être chauffé avec de
l’hydrogène pour former de l’oxyde de tungstène ou réagira avec le carbone à des températures supérieures
1050° C pour produire de tungstène métallique en poudre.
4.7.2. Applications
L’application principale du tungstène pour plus de 100 ans a été comme filament dans les ampoules à
incandescence. Dopé avec de petites quantités de silicate de potassium-aluminium, la poudre de tungstène est
frittée à haute température pour produire le filament métallique qui est au centre des ampoules que la lumière
des millions de foyers dans le monde entier.
En raison de la capacité de tungstène à garder sa forme à haute température, les filaments de tungstène sont
utilisés maintenant aussi dans une variété d’applications domestiques, y compris les lampes, projecteurs, éléments
Métaux et alliages non ferreux
chauffants dans les fours électriques, fours à micro-ondes, tubes à rayons x et tubes cathodiques (CRT) dans les
écrans d’ordinateurs et de téléviseurs.
La tolérance du métal à la chaleur intense le rend également idéal pour les thermocouples et contacts
électriques, dans les fours à arc électrique et équipement de soudage.
Trépan de forage rotatif à
dents en carbure de tungstène
4.7.3. Carbures de Tungstène
Le Carbure de Tungstène est produit par la liaison d’un atome de tungstène
avec un seul atome de carbone (représenté par le symbole chimique WC) ou de
deux atomes de tungstène avec un seul atome de carbone (W2C). On obtient
cela en chauffant la poudre de tungstène avec du carbone à une température de
1400°C à 1600°C dans un flux d’hydrogène gazeux.
Selon l’échelle de dureté de Moh (une mesure de la capacité d’un matériau de
rayer l’autre), le carbure de tungstène a une dureté de 9,5, légèrement
inférieure à celle du diamant. Pour cette raison, ce composé dur est obtenu par
le procédé de métallurgie des poudres pour fabriquer des outils de coupes pour
usinage et découpage.
Le carbure cémenté WC-Co est produit en utilisant une combinaison de
poudres de carbure de tungstène et de cobalt. Il est utilisé pour produire les
outils résistants à l’usure tels que ceux utilisés dans l’industrie minière et le
forage des puits de pétrole.
Métaux et alliages non ferreux
Ampoule à filament de tungstène
4.7.4. Alliages de Tungstène
Le métal Tungstène W peut être combiné avec d’autres métaux pour améliorer leur résistance à l’usure et à
la corrosion. Les aciers alliés contiennent souvent le tungstène à cause de ses propriétés bénéfiques. De
nombreux aciers rapides - ceux qui sont utilisés dans le découpage et l’usinage des outils tels que lames de
scie - contiennent environ 18 % tungstène.
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.
14. Terence Bell, Learn About Refractory Metals. University of British Columbia Carleton University. 2018
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Chap5. Equilibres de phases
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Chap2 Premier principe de la thermodynamique
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Chap3. Second principe de la thermodynamique
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Chap1. Lois des gaz parfaits et réels
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Métaux et alliages non ferreux lourds Cu, Ni, Co et autres

  • 1. Métaux et alliages non ferreux Introduction 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. Dans cette partie nous allons présentés les métaux non ferreux et leurs alliages lourds comme, le cuivre et ses alliages, le nickel et ses alliages, le cobalt et ses alliages ainsi que les métaux réfractaires.
  • 2. Métaux et alliages non ferreux 1. Le Cuivre et ses alliages  Cuivre pur – densité (8,92 g/Cm3)  Point de fusion (1083,4°C)  Point d’ébullition (2567°C)  Chaleur massique : 380 J/kg.K  Couleur : Rouge ou rouge orangée  Structure cristalline : Cubique à faces centrées  Bonne résistance à la corrosion  Malléable, ductile et très résistant  Bonne usinabilité  Conductibilité électrique et thermique élevée  Applications : - Alliages de Bronze, Laitons, maillechorts, etc. - Biomédical - Electricité et énergie - Plomberie et chaudronnerie, etc. Cuivre Lingot de Cuivre Douilles pour balles en alliage de cuivre Pièces de cuivre Fil électrique en cuivre Tubes en cuivre
  • 3. Métaux et alliages non ferreux Le cuivre fait partie des métaux non ferreux lourds. Il a une densité de 8,920 g/cm3, plus lourd que l’acier, une structure cubique à face centrée (CFC), un point de fusion élevée 1085°C et une couleur rouge ou rouge orangée caractéristique. Il est utilisé pour tous les ustensiles traditionnels car il a une bonne résistance à la corrosion. Il est aussi ductile et résistant, ce qui signifie qu’on peut lui donner des formes diverses. Il a une très bonne usinabilité. Sa conductivité thermique et électrique fait que le cuivre est utilisé pour les systèmes de cuisson et en électrotechnique. 1.1.1. Matières Premières La teneur moyenne du cuivre dans l’écorce terrestre est de 55 ppm (0,0055%). Il occupe la 26ème place parmi les éléments chimiques les plus abondants sur terre. Des gisements de minerai de cuivre ont été découverts, il y a 4 700 ans, dans le Sinaï par les pharaons d’Egypte. Le cuivre n’existe plus dans la nature à l’état natif, comme dans l’antiquité. Au cours des siècles, l'extraction du cuivre s'est faite à partir de gisements de plus en plus pauvres. En 1800, le minerai anglais titre plus de 9 % de cuivre et presque 6 % vers 1880 mais il est épuisé. Aujourd'hui les sources de cuivre sont plus discrètes et difficiles à trouver (voir figure : évolution de la teneur en Cu dans les minerais). 1.1. Elaboration du cuivre Le cuivre se place, aujourd’hui, du point de vue utilisation, au deuxième rang des métaux non ferreux, après l’aluminium.
  • 4. Métaux et alliages non ferreux Évolution de la richesse du minerai de cuivre Les teneurs des minerais exploités actuellement sont généralement comprises entre 0,4 et 2 %. Au Chili, en 2015, la teneur moyenne des minerais exploités est de 0,61 %. Les minerais se présentent sous deux formes chimiques principales qui conditionnent leur traitement : • Sulfurée : qui représentent 80 % de la production mondiale sous forme de chalcopyrite (CuFeS2), bornite (Cu5FeS4), chalcosine (Cu2S)... • Oxydée (et en forme de carbonates) : avec l'azurite (2CuCO3,Cu(OH)2), la cuprite (Cu2O)... Les minerais oxydés sont souvent présents dans les parties supérieures des gisements, zones d'altérations importantes, le cœur de ces derniers étant sulfuré. De nombreux autres éléments métalliques sont souvent associés au cuivre : Fe, Ni, Zn, Pb, Co, Mo, Ge, Au, Ag... Les minerais de cuivre sont une ressource importante de molybdène (54 % de sa production provient de mines de cuivre). La présence d'autres éléments valorisables peut parfois permettre l'exploitation de gisement de faible teneur en cuivre. En 2010, pour une production minière de 16 millions de t de cuivre, les éléments suivants ont été coproduits : molybdène (250 000 t), cobalt (98 000 t), bismuth (8 500 t), sélénium (2 600 t), tellure (450 t), ainsi que du rhénium, uranium, argent et de l'or. En 2016 les gisements les plus importants dans le monde se trouvent, par ordre d’importance, en Chili (3,38 Mt), Indonésie (0,78 Mt), Etats-Unis (0,52 Mt), Mexique (0,51 Mt), Pérou (0,79 Mt) et la Russie (0,43 Mt).
  • 5. 1.1.2. Traitement des minerais Le traitement des minerais de cuivre (sulfurées ou oxydés) se fait selon deux voies principales : Voie pyrométallurgique destinée aux minerais sulfurés. Elle concerne, en 2015, 80 % de la production et nécessite un raffinage ultérieur. Métaux et alliages non ferreux Voie hydrométallurgique destinée aux minerais oxydés. Elle concerne, en 2015, 20 % de la production et ne nécessite pas de raffinage ultérieur. Elle est réalisée dans des installations obligatoirement proches de l'extraction minière. Avant le traitement, suivant ses deux voies, le minerai doit être Concentré. En effet les minerais de cuivre sont très pauvres en cuivre (1 à 4) % et il est nécessaire de leur faire subir un traitement d’enrichissement. Le minerai est concentré ou enrichi par flottation afin d’éliminer une partie de la frange et d’amener la teneur en cuivre jusqu'à 25 %. 1.1.2.1. Pyrométallurgie elle est effectuée en 3 étapes suivies d'un raffinage :  Grillage partiel des concentrés vers 550 - 650°C : l'oxydation partielle des sulfures de fer, présents à des teneurs élevées systématiquement dans tous les minerais sulfurés, donne un "mélange" composé de sulfures de cuivre et de fer et d'oxyde de fer. L’Arsenic As et l’antimoine Sb sont éliminés sous forme de composés volatils et récupérés.  Fusion pour matte : la poursuite de l'oxydation, à 1100-1200°C, a lieu après la fusion des concentrés.
  • 6. Métaux et alliages non ferreux L'oxyde de cuivre formé réagit avec le sulfure de fer restant selon la réaction : Cu2O + FeS Cu2S + FeO FeO passe, sous forme de silicates, dans les scories qui surnagent sur une matte fondue (formée de Cu2S et FeS restant). La plus grande partie du fer est ainsi éliminée ainsi qu'une partie du plomb. La fusion a lieu dans des fours réverbères ou électriques.  Conversion : poursuite de l'oxydation de la matte liquide par de l'air ou du dioxygène, vers 1300°C, en deux étapes dans des convertisseurs : 1ère phase de soufflage scorifiant : élimination totale du fer et des autres éléments métalliques plus oxydables que le cuivre qui passent dans des scories. Il reste Cu2S appelé matte blanche. 2ème phase de soufflage pour cuivre selon la réaction : Cu2S + O2 2 Cu + SO2 On obtient du cuivre noir, appelé blister, contenant de 98 à 99,5 % de Cu. Il reste un peu de Cu2O. Le dioxyde. de soufre est récupéré pour produire de l'acide sulfurique, avec une production moyenne de 2,7 t d’acide par t de cuivre.
  • 7. Métaux et alliages non ferreux L’affinage électrolytique du cuivre a deux buts essentiels : - Obtenir du cuivre pur, ce qui conduit à l’augmentation de la conductibilité électrique et la capacité de déformation. - L'extraction des métaux purs (Au, Ag). L’électrolyse du cuivre s’effectue dans une solution d’acide sulfurique de 40 à 60°C avec une densité de 200A/m2 (0,2 à 0,3) V. Le cuivre destiné à l’électrolyse est préparé sous forme de panneaux plats qui jouent le rôle d’anodes. Le cuivre et les éléments qui l’accompagnent tels que Ni, Zn etc. sont dissous de l'anode dans l’électrolyte mais ne l’accompagnent pas dans la cathode à cause de leur potentiel de séparation (précipitation). Les autres éléments tels que l’Au, Ag, Purification du cuivre Raffinage du blister : principalement par électrolyse à anode soluble. As et Sb coulent lentement à partir de l’anode en formant une boue anodique, cette dernière est traitée pour en extraire l’argent et l’or. Un bon cuivre électrolytique, renferme jusqu’à 99,98 % Cu. 1.1.2.2. Hydrométallurgie Le traitement des minerais par ce procédé entraîne une pollution atmosphérique nettement plus faible que lors des opérations pyrométallurgiques, mais les métaux précieux restent dans la gangue et ne sont donc pas récupérés. Ce procédé concerne, principalement les minerais "oxydés" facilement solubles.
  • 8. L'hydrométallurgie des minerais de cuivre comporte trois opérations successives (le procédé est dénommé SX/EW (Solvent extraction and electrowinning) : extraction par solvant/électroextraction) : Une dissolution des minerais par lixiviation généralement réalisée à l'aide d'acide sulfurique (1 à 15 g d'acide/L). Lorsque la gangue est basique (calcaire ou dolomitique), le coût de la lixiviation acide devient excessif, elle est remplacée par une lixiviation à l'aide d'une solution aqueuse d'ammoniac. La solution obtenue titre de 1 à 6 g de Cu2+ par litre, concentration trop faible pour pouvoir subir une électrolyse, car sa faible conductivité entraînerait une résistance élevée au passage du courant électrique et une consommation d'énergie importante par effet Joule. Une extraction par un solvant spécifique (organique) et après dé-extraction à l'aide d'acide sulfurique (160 à 260 g d'acide/litre) d'obtenir une solution contenant de 40 à 70 g de Cu2+/litre. Une électrolyse de la solution aqueuse contenant Cu2+. Métaux et alliages non ferreux 1.2. Production mondiale du cuivre La Chine est le premier producteur de cuivre avec presque 38% et, avec le chili, ils détiennent à eux seul 48% de la production mondiale en 2017. Viennent, par la suite, le Japon, les Etats unis, la Russie et d’autres pays. Concernant la consommation mondiale de ce métal, c’est la Chine, évidemment, qui occupe la première place avec presque 50% de la production mondiale en 2017 (même source). Source: World Bureau of Metal Statistics (September 2017)
  • 9. Métaux et alliages non ferreux 1.4. Utilisation du cuivre Si le cuivre est autant recherché, c'est sans aucun doute pour ses propriétés remarquables. Grâces à cela, les domaines d'application du cuivre sont diversifiés. Ceci explique en grande partie pourquoi le cuivre est si demandé. • Applications électriques et mécaniques du cuivre A cause de sa conductivité thermique et électrique, le cuivre est utilisé dans les équipements électriques et électroniques, la fabrication de radiateurs pour les PC et les Poignées des portes des hôpitaux Câbles de télécommunication voitures, les tubes à vide, etc. De manière plus générale, ce métal est aussi utilisé dans le domaine de la télécommunication, le transport, les énergies renouvelables et le bâtiment. • Applications dans le biomédical Très utilisé dans le secteur médical, le cuivre est apprécié pour sa propriété anti-bactérienne. Pour éviter les contagions, les poignées des portes des hôpitaux sont faites en cuivre. A part ces applications, le cuivre-64 est utilisé en imagerie médicale et dans le traitement du cancer par radiothérapie.
  • 10. 1.5. Alliages de cuivre Le cuivre pur n’est employé que pour ses propriétés de conductibilité électriques. Par contre, la présence d’inclusions même en très faibles proportions, change profondément ses propriétés. Parmi les inclusions, on peut citer brièvement : - Celles qui forment des solutions solides : Zn, Sn, Ni, Al, …. - Celles qui sont insolubles dans le cuivre : Pb, Bi. - Celles qui forment avec le cuivre des combinaisons fragiles, (Cu2O et Cu2S) qui entrent dans la composition de l’eutectique. Les alliages de cuivre possèdent de hautes propriétés mécaniques et technologiques et résistent bien à l’usure et à la corrosion. On distingue deux groupes essentiels d’alliages de cuivre fortement alliés : a. Les laitons : composés de cuivre et de zinc (Cu-Zn). b. Les bronzes : composés de cuivre et d’étain (Cu-Sn) et d’autres éléments. c. Les cupro-nickels et les cupro-aluminiums. 1.5.1. Les laitons (Alliages Cu-Zn) Les alliages de cuivre qu’on peut élaborer, par addition de d’autres éléments, sont nombreux. Les plus importants d’entre eux sont les laitons qui contiennent le zinc comme élément d’addition à des teneurs qui varient entre 5 et 40%. Le zinc va se substituer aux atomes de cuivre dans le réseau cristallin de ce dernier, formant ainsi une solution solide de substitution. La raison est que les atomes de Cu et de Zn ont presque la même taille (rCu ≈ rZn = 1,35) (voir diagramme Cu-Zn). Métaux et alliages non ferreux
  • 11. Métaux et alliages non ferreux Diagramme binaire Cu-Zn Jusqu’à 60 % Zn, il se compose de trois phases : α, β et γ. La solubilité maximale de zinc dans les cristaux mixtes α a pour valeur 39 %. La phase α est une solution de zinc dans le cuivre à réseau CFC de cuivre. Les alliages avec une teneur en zinc supérieure à 50 %, ne sont pas techniquement intéressants parce que les phases formées sont dures et fragiles. Le plus souvent, la structure des laitons se compose de phase α ou α + β’. De tous les alliages de cuivre, les laitons sont ceux qui présentent la plus grande facilité d'emploi. Ils peuvent être utilisés sous toutes les formes de demi-produits, et leur mise en œuvre peut être opérée par tous les procédés de moulage, matriçage, décolletage, emboutissage, etc. Le laiton est par excellence l'alliage du décolletage, c’est- à-dire de l'usinage de pièces sur tour automatique, et du matriçage, qui consiste en une déformation à chaud d'un lopin de métal par pression instantanée dans une matrice. On peut améliorer les propriétés des laitons par additions de d’autres éléments tels que :  Aluminium (Al) et étain (Sn) qui donnent une excellente résistance à la corrosion par la formation d’une couche protectrice.  Plomb (Pb) jusqu’à 3% qui facilite l’usinage et améliore les propriétés antifriction. Ces alliages sont utilisés pour la visserie, la robinetterie et les pièces d’horlogerie.  Nickel (Ni) qu’on utilise des teneurs allant jusqu’à 3 %. Il donne à l’alliage une résistance mécanique élevée et une bonne résistance à la corrosion dans l’eau douce, l’eau de mer, la vapeur et les acides dilués.
  • 12. Les laitons sont surtout utilisés en :  Quincailleries (vis, poignées, …)  Bijouterie  Eléments décoratifs pour le mobilier  Robinetterie  Fabrication d’instruments de musique  Instrument de construction navale (boussole, hélices, …) Métaux et alliages non ferreux Parmi les alliages de laitons on peut citer : CuZn4 ; CuZn10 ; CuZn15 ; … ; CuZn37 ; CuZn36Pb1 ; CuZn40Pb2 ; … 1.5.2. Les bronzes (Alliages Cu-Sn) Ce sont des alliages composés de Cu-Sn, dont la teneur en Sn est de 3 à 20 %. Jusqu’à 5% Sn, ils possèdent une couleur rouge et elle passe au jaune à partir de 15 % de Sn. Ils sont utilisés surtout en fonderie grâce à leurs bonnes propriétés de moulage. Ils présentent une bonne tenue à la corrosion, mais de mauvaises qualités d’usinage. Le diagramme d’équilibre de l’alliage de bronze est donné par la figure ci-contre. La phase α est une solution solide de l’étain dans le cuivre à réseau CFC. La solubilité limite atteint 15 %. Elle est malléable à chaud et à froid. Diagramme binaire Cu-Sn
  • 13. Dans la pratique, on utilise uniquement les bronzes avec une teneur en Sn jusqu’à 12 % car les alliages les plus riches en étain sont très fragiles à cause de la phase δ. Les bronzes se divisent en deux groupes : les bronzes de corroyage et ceux de fonderie. a. Les bronzes de corroyage La teneur en Sn est de 4 à 6 % et les autres teneurs maximales en P : 0,4 %, en Zn : 4 %, en Pb : 4,5 %. Ils sont élaborés sous formes de barres, plats, fils, aux états écrouis (durs) et recuits (doux). Ils sont destinés pour la fabrication des ressorts et des éléments élastiques. Les bronzes à l’étain, de corroyage, sont constitués de la solution α. b. Les bronzes de fonderie Ils contiennent une grande quantité de zinc, de phosphore et souvent de plomb. Ils possèdent une structuré biphasée, composée de solution solide α et d’inclusions de la phase δ durs et fragiles, qui, généralement font partie de la structure de l’eutectoïde. Métaux et alliages non ferreux Monnaie romaine en bronze Engrenages de montres en bronzeLustre en bronze Coussinets autolubrifiants
  • 14. Métaux et alliages non ferreux Les bronzes à l’étain sont généralement alliés aux Zn, P, Ni, Pb et à d’autres éléments. •Le zinc améliore les propriétés technologiques du bronze et le rend moins cher. •Lorsque la teneur en phosphore est supérieure à 0,3 %, il forme la phosphure Cu3P qui améliore les propriétés élastiques et antifrictions. Le phosphore est un élément qui améliore la coulabilité. •Le nickel améliore les propriétés mécaniques, la tenue à la corrosion et la densité des pièces moulées tout en diminuant la ségrégation. •L'addition du plomb diminue les propriétés mécaniques des bronzes, mais facilite l’usinage et améliore les propriétés antifrictions. Les bronzes au Pb sont utilisés pour la fabrication des coussinets et des glissières. 1.5.3. Les cupro-aluminium (Cu-Al) La teneur en Al varie de 4 à 14 %. Ils sont caractérisés par de bonnes propriétés mécaniques et par une résistance élevée à la corrosion marine, à la corrosion sous tension et à la fatigue par corrosion. Ils sont surtout utilisés pour la fabrication de bagues de toute sorte, de sièges de guidage, de roues dentées, etc. Les bronzes à l’aluminium, résistent bien à la corrosion et possèdent des propriétés mécaniques et technologiques élevées. Ils se présentent facilement au corroyage à chaud et à froid pour des additions de 7 à 8 % Al. Leurs bonnes propriétés de fonderie permettent de les employer pour toute sorte de moulage. 1.5.4. Les cupro-nickel (Cu-Ni) Les alliages Cu-Ni contiennent de 5 à 45% Ni. Le diagramme d’équilibre Cu-Ni comporte une solution solide unique puisque le cuivre et le nickel sont solubles en toutes proportions. Les bronzes au nickel résistent bien à la corrosion par l’eau de mer. Les nuances industrielles sont alliées avec du silicium et du manganèse (Cu-Ni-Si, Cu-Ni-Mn) dans les proportions suivantes :
  • 15. - Composition de l’alliage Cu-Ni-Si : 0,5 à 4 % Ni, 0,15 à 1 % Si et le reste Cu. - Composition de l’alliage Cu-Ni-Mn : 20 % Ni, 20 % Si et le reste Cu. Les alliages contenant plus de 20 % Ni sont très malléables et résistent remarquablement à la corrosion de l’eau de mer. Ils sont utilisés pour la fabrication des monnaies avec 25 % Ni. Métaux et alliages non ferreux 1.5.5. Les maillechorts (Cu-Ni-Zn) Les maillechorts sont des alliages de Cu (40 à 66%), de Ni (9 à 32%) et de Zn (17 à 45%). Ils ont des propriétés intermédiaires entre celles des laitons et celles des cupronickels. On distingue les alliages monophasés qui sont malléables et les alliages diphasés qui sont facilement usinables et forgeables à chaud. Les maillechorts sont des alliages blancs, durs et inaltérables que l’on utilise dans la fabrication de pièces d’orfèvrerie, d’instruments scientifiques, des résistances et d’appareillages électriques.
  • 16. Nickel  Nickel pur – densité (8,9 g/Cm3)  Point de fusion (1455°C)  Point d’ébullition (2 913 °C)  Chaleur massique : 440 J/kg.K  Couleur : Blanc argenté, reflet gris  Structure cristalline : Cubique à faces centrées (CFC)  Le Nickel est ferromagnétique aux températures ordinaires  Application :  Batteries rechargeable Nickel-hydrure métallique (Ni-MH)  Métal monel : - Alliages Ni-Cu avec traces Fe, Mn, Si, C - Tubes échangeurs de chaleur, agroalimentaire, marine - Grande résistance à la corrosion  Superalliages (Ni-Cr) : Aubes de turbine  Aciers inoxydables  Alliages à mémoire de forme, Catalyseurs Nickel Batterie rechargeable Ni-MH Aubes de turbine pour les moteurs aéronautiques Métaux et alliages non ferreux 2. Le Nickel et ses alliages
  • 17. 2.1. Elaboration du Nickel Le Nickel a une densité (8,9 g/cm3) proche de celle du cuivre, et aussi une structure semblable CFC mais avec un point de fusion assez élevé 1455°C. Il a un éclat métallique blanc argenté. 2.1.1. Matières Premières La teneur moyenne de l'écorce terrestre est d'environ 84 ppm (0,0084 %). Il occupe la 24ème place parmi les éléments chimiques les plus abondants sur terre. Les minerais sont de deux types :  Sulfurés (65 % de la production), sous forme de pentlandite (Ni,Fe)9S8 associée, en général, à de la pyrrhotite (Fe7S8), de la pyrite (FeS2) et de la chalcopyrite (CuFeS2). Les minerais ont des teneurs de 0,7 à 3 % de nickel et contiennent du cuivre (~1 %), du chrome, du cobalt, de l'argent et de l'or, qui sont récupérés. Ils sont concentrés par flottation à des teneurs de 10 à 15 % de Ni. Ces minerais sont exploités en Russie, au Canada, en Australie de l'Ouest, en Chine.  Oxydés (35 % de la production de Ni). Ces minerais ne contiennent pas de cuivre ni de métaux précieux, mais renferment du cobalt. La principale source d'extraction de ce type de minerai se situe en Nouvelle- Calédonie où elle apparaît sous la forme de Garniérite : 3NiO,3MgO,2SiO2, 2H2O (concentration en nickel 3 à 5% et contient outre MgO et SiO2, 10 à 30% de fer et cobalt). 2.1.2. Métallurgie extractive Les procédés métallurgiques et techniques d’affinage dépendent des minerais traités :  Les minerais sulfurés sont exploités dans des mines souterraines. Le nickel extrait est concentré par voie physique et traité dans des fours par pyrométallurgie.  Les minerais oxydés, présents en Nouvelle-Calédonie, sont exploités dans des mines à ciel ouvert. Le nickel qu’il contient peut ensuite être traité suivant deux procédés : pyrométallurgique ou hydrométallurgique. Métaux et alliages non ferreux
  • 18. Les garniérites, plus riches en Nickel, sont traitées par pyro-métallurgie. Le traitement conduit à la production de ferronickel (25 % Ni) et des mattes à haute teneur (~75% Ni) (voir schéma ci-dessous). Métaux et alliages non ferreux Minerais oxydés : Garniérite (1 à 3% de Ni) Préparation du minerai (broyage + calcination) Pyrométallurgie (fusion – réduction) Affinage des ferronickels (désulfuration + oxydation du silicium et carbone) Affinage des mattes (sulfuration + élimination du fer) Matte (76% Ni, 18% S et 3,5% Fe) Hydrométallurgie Solution commerciale de NiCl2 pour nickelage Electrolyse Ferro-nickel affiné 20 % de mattes80% de ferro-nickel brut Lingots de nickel haute pureté Minerai de nickel en Nouvelle-Calédonie Schéma des étapes d’extraction du nickel de la garniérite pour la fabrication de nickel de haute pureté
  • 19. Les mattes sont par la suite traitées par Hydrométallurgie pour obtenir directement le NiCl2 utilisé pour nickelage ou passer à l’étape d’électrolyse pour produire des lingots de nickel de haute pureté. 2.2. Procédé Mond pour l’élaboration du nickel pur Le procédé Mond est le processus de carbonylation du nickel. En effet, parmi les métaux, le nickel présente la caractéristique de pouvoir former, en présence de monoxyde de carbone, du tétracarbonyle de nickel Ni(CO)4 gazeux à 50 °C qui, lorsqu'il est chauffé à une température de 220 à 250 °C se redécompose en nickel métallique pur et en monoxyde de carbone. La matte, peut être directement affinée par carbonylation suivant les réactions : 1. Le résidu métallique est traité au monoxyde de carbone CO à une température d'environ 50 à 60 °C pour être carbonylé, seul le nickel réagissant au CO dans ces conditions pour former un carbonyle gazeux : Ni(s) + 4 CO(g) → Ni(CO)4(g) 2. Ensuite le mélange gazeux de monoxyde de carbone et de tétracarbonyle de nickel est alors chauffé à une température d'environ 220 à 250 °C pour décomposer le Ni(CO)4, qui donne du nickel métallique : Ni(CO)4(g) → Ni(s) + 4 CO(g) La décomposition du tétracarbonyle de nickel se fait généralement en faisant passer le gaz au travers un lit de billes de nickel (catalyseurs) chauffées à 240 °C. Le nickel obtenu est très pur. On peut produire, par cette méthode, directement du nickel sous forme de poudre métallique qu’on peut utiliser en métallurgie des poudres. En 2009, ce procédé concerne presque 300 000 tonnes par an de nickel sur les 1 500 000 tonnes de nickel primaire produites dans le monde. Métaux et alliages non ferreux
  • 20. Métaux et alliages non ferreux Chine 624 Australie 112 Indonésie 205 Nouvelle Calédonie 104 Japon 188 Norvège 87 Russie 159 Brésil 69 Canada 158 Finlande 60 2.3. Production mondiale du Nickel La Chine, l’Indonésie, le Japon, la Russie et le Canada sont les principaux producteurs de nickel en 2018. Viennent par la suite l’Australie, Nouvelle Calédonie (France), et d’autres pays. Source : International Nickel Study Group Production en milliers de tonnes 20182.4. Utilisation du Nickel  Aciers inoxydables (« inox ») Le nickel est un métal très largement utilisé dans l'industrie pour l’élaboration des aciers inoxydables et d'autres métaux nécessaires notamment dans le secteur de l'aéronautique. L’acier inoxydable est un matériau qui présente Service de table en inox Architecture en inox d’excellentes propriétés d’hygiène. Il est utilisé pour fabriquer des équipements ménagers, de l’électroménager, dans l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique ainsi que du matériel chirurgical etc.  Alliages à base de nickel • Superalliages Le développement de l’aviation moderne (réacteurs) s’est largement appuyé sur le développement des superalliages qui utilisent du métal dont la teneur en nickel est élevée (supérieure à 45 %) en association avec d’autres métaux (notamment le cobalt et le chrome). Ses alliages sont utilisés dans les pièces d’attache des trains d’atterrissage des Airbus mais aussi de leurs ailes et des turbines d’avion, grâce notamment aux propriétés exceptionnelles du nickel.
  • 21. Les superalliages ont la capacité de conserver des bonnes propriétés mécaniques très stables malgré les températures de plus en plus élevées de fonctionnement des réacteurs. • Alliages nickel-fer La production et le transport des gaz industriels, ainsi que du gaz naturel liquéfié, à de très basses températures rendent indispensable l’usage de certains alliages nickel/fer. D’autres alliages nickel/fer sont utilisés dans les appareils de mesure, les écrans de téléviseurs, les semi- conducteurs.  Galvanoplastie (revêtement de métal pur) : Le nickel procure un aspect brillant et une résistance à la corrosion atmosphérique (robinetterie, quincaillerie, tubes…).  Batteries rechargeables : Batteries de secours, téléphones, ordinateurs portables, automobiles électriques et hybrides.  Monnaies : Dans de nombreux pays, il existe des pièces de monnaie soit en nickel pur (cas du franc français jusqu’à l’introduction de l’euro), soit en alliages cuivreux contenant du nickel (pièces de 1 et 2 euros). Métaux et alliages non ferreux Batterie rechargeable en Ni Pièce de 1 euro en alliage Cu/Ni  Autres : Le nickel est très utilisé comme catalyseur dans l’industrie chimique, pétrochimique, alimentaires, etc. 2.5. Recyclage Le recyclage fournit 50 % du Ni destiné à la production des aciers inoxydables (Ni contenu dans les aciers inoxydables est réutilisé lors du recyclage de ces aciers). Aux Etats-Unis, en 2015, on a recyclé presque 11000 t qui représentent 45 % de la consommation. Dans l'Union européenne, le taux de recyclage est de 45 %.
  • 22. Métaux et alliages non ferreux Cobalt  Cobalt pur – densité (8,9 g/Cm3)  Point de fusion (1495°C)  Point d’ébullition (2927 °C)  Chaleur massique : 420 J/kg.K  Couleur : Blanc argenté, reflet gris  Structure cristalline : Hexagonal compact (HC)  Le Cobalt est ferromagnétique à température ordinaire.  Application - Production des alliages de haute performance.  Alliages à base de Co résistants à l’usure et corrosion.  Outils de coupe avec additions de cobalt pour augmenter la résistance à la chaleur et à l’usure. - Superalliages, aimants. - Batteries cobalt-lithium ions. - Pigments (oxyde de cobalt) donnant la couleur bleue. - Catalyseurs et autres. Cobalt Batterie rechargeable Co-Li Vase en verre bleu cobalt 3. Le Cobalt et ses alliages 3.1. Elaboration du Cobalt De symbole Co, de numéro atomique 27 et de masse atomique 59, le cobalt est un métal de transition proche du fer, de couleur gris argenté lorsqu’il est pur. Il a une structure hexagonale compacte (HC), une densité semblable à celle du Nickel 8,9 g/cm3, un point de fusion également élevée 1495°C et un module d’élasticité, proche de celui des aciers, d’environ 209 GPa.
  • 23. Métaux et alliages non ferreux 3.1.1. Matières premières La teneur de l'écorce terrestre est comprise entre 25 et 29 ppm de cobalt. Minerais : Ils sont très nombreux sous forme d'oxydes, carbonates, sulfures, arséniures (smaltite : CoAs2), thioarséniures (cobaltite : CoAsS), etc. de teneurs variant de 0,5 à 2,5 % de Co. Dans les gisements exploités, le cobalt est, en général, associé au cuivre ou au nickel. Le cobalt est co-produit de l'extraction de minerais de cuivre en République Démocratique du Congo (DRC) et en Zambie. En Afrique du Sud, le cobalt est, en partie, co-produit de l'exploitation de métaux précieux (Ag, Au, etc..). La seule mine exploitant exclusivement un minerai de cobalt, de la smaltite (CoAs2), est celle de Bou Azzer au Maroc. 3.1.2. Métallurgie Les minerais de cuivre-cobalt sont soit traités par voie pyrométallurgique puis hydrométallurgique soit traités directement par voie hydrométallurgique.  Dans le cas d'un traitement par pyrométallurgie puis hydrométallurgie, le minerai après ajout de coke (10 % de la masse du minerai) est réduit au four électrique. La consommation d'énergie est de 12 000 kWh/t de Co. On obtient une scorie contenant 15 % de Co qui est recyclée, un alliage "blanc" contenant 42 % de Co, 15 % de Cu, 39 % de Fe et un alliage "rouge" à 89 % de Cu, 4 % de Co, 4 % de Fe. Le cobalt de ce dernier alliage est récupéré lors des opérations de métallurgie du cuivre. L'alliage blanc est dissous à chaud dans H2SO4. Le cuivre est précipité par cémentation à l'aide de fer. Le cobalt est précipité en milieu basique (ajout de chaux) par du carbonate de sodium. On obtient du carbonate de cobalt.  Dans le cas des minerais traités par voie hydrométallurgique, l’opération consiste à réaliser une lixiviation sous pression, environ 10 atm., vers 150°C, en présence d'acide sulfurique et de dioxygène. Après neutralisation et élimination de l'alumine et de l’oxyhydroxyde de fer, les éléments Cu2+, Co2+ et Ni2+ sont extraits par des solvants spécifiques.
  • 24. Métaux et alliages non ferreux 3.2. Production et utilisation du Cobalt Une particularité du marché du cobalt est que les pays producteurs (production mondiale 2018 : 135850 t de Cobalt contenu) sont rarement les mêmes que ceux qui raffinent le matériau. Par exemple, la Chine raffine à elle seule presque la moitié de la production mondiale. RD du Congo 71% Russie 5 % Cuba 4% Australie 4% Philippines 4% Chine 3% Nlle Guinée 3% Canada 3% Madagastar 3% Répartition de la production mondiale en Cobalt contenu 2018 (Elémentarium) Chine 78 360 Australie 3 200 Finlande 12 874 Madagascar 2 852 Belgique 6 360 Nouvelle Calédonie 2 104 Canada 6 152 Russie 1 800 Norvège 4 200 Maroc 1 619 Japon 3 669 Zambie 1 613 Sources : Elémentarium Production en t de Cobalt raffiné 3.2.1. Exemple d’utilisation du Cobalt Le cobalt est utilisé dans l’industrie des batteries qui consomme à elle seule 43% du cobalt produit, vient par la suite l’élaboration des alliages (19%), outils de coupe (9%), catalyse (9%), les pigments, les aimants, les cosmétiques et autres. Parmi les nombreux alliages spéciaux où le cobalt est employé on peut citer : Utilisation industrielle du Cobalt
  • 25.  Les alliages thermiquement résistants, appelés superalliages, et contenant du cobalt sont utilisés dans l'industrie et dans les moteurs à turbine des avions. Les superalliages (exemple de composition : cobalt : 30 %, chrome : 20 %, nickel : 20 %, fer : 14 %, molybdène : 10 %, tungstène : 5 %.), sont des alliages réfractaires pour turbines à gaz, turboréacteurs (moteurs d'avions) dans l'aéronautique et l'armement. Métaux et alliages non ferreux Outils de coupe Le cobalt trouve aussi son application :  Dans le cobaltage de métaux par électrolyse, ce qui les recouvre d'un brillant plus résistant à l'oxydation que le nickel.  Dans l'industrie des métaux frittés (métallurgie des poudres), le mélange cobalt-carbure de tungstène (Co- WC) est particulièrement résistant (dureté de 90% à 95% de celle du diamant). Il est employé pour fabriquer des dents de scies, foreuses, forets, mèches perceuses.  Les dérivés du cobalt sont utilisés principalement comme colorant ou pigment. L'utilisation du cobalt en céramique est très ancienne, on la retrouve dans les porcelaines chinoises et dans les poteries des anciennes civilisations d'Égypte. L'oxyde de cobalt est le plus puissant des oxydes colorants. Il conserve sa couleur bleue quelle que soit l'atmosphère de cuisson et dans toute la gamme des températures de cuisson des céramiques traditionnelles. Bleu de cobalt
  • 26. Métaux et alliages non ferreux 4. Métaux réfractaires Le terme ‘métal réfractaire’ est utilisé pour décrire un groupe d’éléments métalliques qui ont des points de fusion élevés et qui sont résistants à l’usure à la corrosion et à la déformation. Les utilisations industrielles du terme ‘réfractaires métalliques’ se réfèrent souvent à cinq éléments couramment utilisés : Molybdène (Mo), Niobium (Nb), Rhénium (Re), Tantale (Ta) et Tungstène (W) Leurs propriétés physiques sont données dans le tableau ci-dessous : Métal Molybdène Mo Niobium Nb Rhénium Re Tantale Ta Tungstène W Masse atomique 95.94 92.90 186.31 180.95 183.85 Structure cristalline CFC CFC HC CFC CFC Module d’élasticité, GPa 324 103 469 185 400 Dureté Vickers, MPa 1530 1320 2450 873 3430 Densité à 20°C, g/cm3 10.22 8.57 21.04 16.6 19.25 Point de fusion, °C 2610 2468 3180 2996 3410 Point d’ébullition, °C 5560 4927 5760 5427 5700 Propriétés physiques des métaux réfractaires purs
  • 27. 4.1. Caractéristiques Le point commun des métaux réfractaires est leur résistance à la chaleur. Les cinq métaux réfractaires industriels ont tous des points de fusion supérieure à 2000 °C. La résistance des métaux réfractaires à des températures élevées, en association avec leur dureté, leur fait l’idéal pour la découpe et outils de forage. Les métaux réfractaires sont également très résistants aux chocs thermiques, ce qui signifie que le chauffage et le refroidissement répété ne provoquera pas de fatigue ou fissuration. Tous les métaux ont des densités élevées (ils sont lourds) ainsi que de bonnes propriétés électriques et de conductivité thermique. Une autre propriété importante est leur résistance au fluage, la tendance des métaux à se déformer lentement sous l’influence d’un effort. En raison de leur capacité à former une couche protectrice, les métaux réfractaires sont également résistants à la corrosion, mais ils s’oxydent facilement à des températures élevées. Métaux et alliages non ferreux 4.2. Métaux réfractaires et métallurgie de poudres En raison de leurs hauts points de fusion et de leur dureté, les métaux réfractaires ne sont jamais fabriqués par moulage mais ils sont traités le plus souvent sous forme de poudre. Les poudres métalliques sont produites en des tailles et formes spécifiques, puis mélangées pour créer de bonnes propriétés, avant d’être compactées et frittées. Le frittage consiste à chauffer la poudre métallique (dans un moule) pendant une longue période de temps. Sous l’effet de la chaleur, les particules de poudre commencent à se souder, formant une pièce solide. Le frittage peut lier les métaux à une température inférieure à leur point de fusion, un avantage significatif lorsque on travaille avec les métaux réfractaires.
  • 28. 4.3. Molybdène Métaux et alliages non ferreux Le molybdène est utilisé principalement, à près de 80 %, pour renforcer la résistance mécanique des aciers , à haute température, en formant des carbures durs et stables, et leur résistance à la corrosion. Dans les aciers inoxydables, le molybdène renforce la protection contre la corrosion apportée par le chrome. Il entre dans la composition des aciers inoxydables utilisés en milieu marin. Le molybdène métallique possède d’excellentes propriétés à haute température, mais la formation d’oxyde volatil dès 600°C, limite son utilisation à des milieux réducteurs, sous vide ou à l’abri de l’air. Par ailleurs, sa grande conductibilité thermique et électrique le fait utiliser dans des composants électroniques, en microélectronique, dans des cellules photovoltaïques, comme électrode arrière, sous forme de couche mince de 500 à 1000 nm d’épaisseur. 4.4. Tantale Le tantale est extrêmement résistant à la corrosion dû à la formation d'un film d'oxyde. Il est également résistant à l'attaque par les acides (à l'exception de l'acide fluorhydrique). Le tantale peut être utilisé en remplacement du platine pour des appareils de laboratoire nécessitant une bonne résistance à la corrosion. Le métal est également utilisé dans l'industrie chimique pour des raisons semblables. Le corps humain est compatible avec ce métal et, par conséquent, il est utilisé pour des implants chirurgicaux sans risque de rejet. Le métal pur est utilisé dans l'industrie électronique pour la fabrication de divers types de matériels électroniques (redresseurs , condensateurs, filaments de lampes, etc.). On utilise également le tantale dans les systèmes à vide grâce à son fort taux d'absorption des gaz résiduels. condensateurs à base de tantale (Wikipédia)
  • 29. Sa résistance exceptionnelle justifie l’utilisation d’acier au niobium dans plusieurs applications :  Les fusées et les satellites (Apollo 11 était fait à 60 % en acier au niobium).  Le niobium est utilisé pour la fabrication d'implants grâce à sa forte biocompatibilité.  Des alliages de niobium avec le zirconium, le molybdène, le vanadium, le chrome ou le tungstène sont aussi utilisés comme métal d’apport pour souder à l’arc certains aciers inoxydables.  La joaillerie. Le niobium est, avec l’or, le seul métal qui se laisse forger à froid par l’artisan. Sa coloration par anodisation est similaire à celle des autres métaux réfractaires tels que le titane.  C'est également le matériau parfait pour la fabrication de câbles et aimants supraconducteurs, grâce à sa température de transition élevée. 4.6. Rhénium Le rhénium résiste fortement à la corrosion et est particulièrement ductile. Ses principales applications sont : Métaux et alliages non ferreux Le niobium, comme le tantale, est résistant à de nombreux produits chimiques et peut être facilement mis en forme même à basse température. Le niobium est un métal spécifique car il atteint un haut degré de résistance tout en étant relativement léger. 4.5. Niobium  Les superalliages à base nickel : le rhénium est un élément de composition de ces alliages pour la fabrication de pales monocristallines de turbines destinées à des turboréacteurs et à des turbines industrielles à gaz. Il permet d’accroître leur résistance thermique en particulier dans les zones proches de la chambre de combustion.  Les catalyseurs : des catalyseurs Pt-Re sont utilisés dans le reformage catalytique du pétrole.  Dans la composition de résistances de fours électriques.
  • 30. 4.7. Tungstène et ses alliages Le tungstène est un métal argenté mat avec le point de fusion le plus élevé de n’importe quel autre métal pur. Egalement connu sous le nom de wolfram, d’où le symbole W, le tungstène est plus résistant à la fracture que le diamant et est beaucoup plus dur que l’acier. Ses propriétés uniques, sa résistance et sa capacité à résister aux températures élevées, le rendent idéal pour de nombreuses applications industrielles. 4.7.1. Production Le Tungstène est principalement extrait de deux types de minéraux : wolframite ((Fe,Mn)WO4) et scheelite (CaWO4). Cependant, le recyclage de tungstène représente aussi environ 30 % de l’approvisionnement mondial. La Chine est le plus grand producteur mondial du métal, fournit plus de 80 % de l’approvisionnement mondial. Une fois que le minerai de tungstène est traité et séparé par hydrométallurgie, la forme chimique, paratungstate d’ammonium (APT) (NH4)10(W12O41)·5H2O, est produite. Le APT peut être chauffé avec de l’hydrogène pour former de l’oxyde de tungstène ou réagira avec le carbone à des températures supérieures 1050° C pour produire de tungstène métallique en poudre. 4.7.2. Applications L’application principale du tungstène pour plus de 100 ans a été comme filament dans les ampoules à incandescence. Dopé avec de petites quantités de silicate de potassium-aluminium, la poudre de tungstène est frittée à haute température pour produire le filament métallique qui est au centre des ampoules que la lumière des millions de foyers dans le monde entier. En raison de la capacité de tungstène à garder sa forme à haute température, les filaments de tungstène sont utilisés maintenant aussi dans une variété d’applications domestiques, y compris les lampes, projecteurs, éléments Métaux et alliages non ferreux
  • 31. chauffants dans les fours électriques, fours à micro-ondes, tubes à rayons x et tubes cathodiques (CRT) dans les écrans d’ordinateurs et de téléviseurs. La tolérance du métal à la chaleur intense le rend également idéal pour les thermocouples et contacts électriques, dans les fours à arc électrique et équipement de soudage. Trépan de forage rotatif à dents en carbure de tungstène 4.7.3. Carbures de Tungstène Le Carbure de Tungstène est produit par la liaison d’un atome de tungstène avec un seul atome de carbone (représenté par le symbole chimique WC) ou de deux atomes de tungstène avec un seul atome de carbone (W2C). On obtient cela en chauffant la poudre de tungstène avec du carbone à une température de 1400°C à 1600°C dans un flux d’hydrogène gazeux. Selon l’échelle de dureté de Moh (une mesure de la capacité d’un matériau de rayer l’autre), le carbure de tungstène a une dureté de 9,5, légèrement inférieure à celle du diamant. Pour cette raison, ce composé dur est obtenu par le procédé de métallurgie des poudres pour fabriquer des outils de coupes pour usinage et découpage. Le carbure cémenté WC-Co est produit en utilisant une combinaison de poudres de carbure de tungstène et de cobalt. Il est utilisé pour produire les outils résistants à l’usure tels que ceux utilisés dans l’industrie minière et le forage des puits de pétrole. Métaux et alliages non ferreux Ampoule à filament de tungstène 4.7.4. Alliages de Tungstène Le métal Tungstène W peut être combiné avec d’autres métaux pour améliorer leur résistance à l’usure et à la corrosion. Les aciers alliés contiennent souvent le tungstène à cause de ses propriétés bénéfiques. De nombreux aciers rapides - ceux qui sont utilisés dans le découpage et l’usinage des outils tels que lames de scie - contiennent environ 18 % tungstène.
  • 32. 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. 14. Terence Bell, Learn About Refractory Metals. University of British Columbia Carleton University. 2018 Métaux et alliages non ferreux