Aluminium et alliages d'aluminium

L’aluminium, dont les ventes mondiales ne cessent de progresser depuis plus d’un siècle, possède de nombreuses propriétés. Il est léger (presque 3 fois plus léger que l’acier, avec une densité de 2.8 contre 7.8 pour les aciers), il est très malléable, recyclable, résistant à la corrosion, conducteur de chaleur et d’électricité... Il est facilement usinable et ductile. Il se prête facilement aux transformations comme le laminage à chaud entre 400 et 500° pour obtenir des plaques > à 2.5mm, comme le filage à chaud pour obtenir des barres, des tubes et des profilés pour, par exemple, les menuiseries de fenêtres...

Transformation des demi-produits d'aluminium

Les demi-produits en aluminium et en alliages d'aluminium sont obtenus par laminage ou par filage. Ils peuvent également être obtenus par moulage (25% des utilisations de l'aluminium) mais nous n’aborderons pas cette catégorie dans cet article.

Définitions

• Demi-produit : barres, tôles, tubes (...) produits pour être mis en œuvre dans d’autres opérations (sciage, usinage...)
• Laminage : des lingots sont fabriqués en fonderie et coulés par coulée semi-continue verticale. Ils sont ensuite laminés (passage entre deux cylindres pour obtenir une réduction de l'épaisseur) et sciés pour obtenir des tôles de différentes épaisseurs. Le laminage se fait à chaud pour les plus fortes épaisseurs (> à 4 mm) et à froid pour les tôles les plus fines (0.8 à 4 mm).
• Filage : le filage est une opération d’extrusion à chaud : une presse hydraulique pousse une billette cylindrique ou rectangulaire dans une filière, la filière étant l’outil qui va donner la forme du demi-produit : barres, tubes, profilés simples ou complexes utilisés tels quels ou finis par étirage. Le produit filé peut être plein (rond, carré, plat) ou creux (tubes circulaires ou non, profilés de forme simple ou complexe). La billette a été préalablement élaborée en fonderie en coulée semi-continue. Avant le filage, elle a été éboûtée (sciage de la tête et du pied de la billette) et éventuellement homogénéisée. L'homogénéisation est un traitement thermique qui vise à supprimer les effets néfastes de la coulée (élimination des ségrégations). Pour comprendre le filage, il vous suffit d'imaginer la pâte de dentifrice qui passe par l'ouverture du tube.

Influence des métaux sur l'aluminium

Le métallurgiste utilise 5 différents éléments capables de s'allier à l'aluminium : le cuivre, le manganèse, le magnésium, le silicium et le zinc. Ces éléments sont à la base des 7 familles d'aluminium que l'on utilise actuellement.

On les classe par famille (de 1xxx à 7xxx) avec un numéro à 4 chiffres.
Exemple : EN AW-7075 signifie :
EN A : Norme Européenne Aluminium (Europaische Norm Aluminium)
W : Wrought alloy (aluminium de corroyage)
Nota : la lettre A suit parfois les 4 chiffres de la désignation numérique. Exemples : 2017A, 2618A ou 6005A. Il s’agit alors d’une composition légèrement différente et spécifique à un pays ou à un producteur.

Les 7 familles d'alliages d'aluminium se divisent en 2 groupes :

• Les alliages à durcissement par écrouissage
  C’est le cas des séries 1000, 3000 et 5000. Le durcissement de l'aluminium se fait par écrouissage (déformation à froid) lors de la fabrication du demi-produit. L'écrouissage entraîne une augmentation de la résistance mécanique (Rm) et de la dureté avec une baisse de la ductilité (A%). L'écrouissage est généralement suivi d’un adoucissement par un traitement thermique de recuit de restauration (adoucissement partiel) ou de recristallisation (adoucissement complet).
• Les alliages à durcissement par traitement thermique
  C’est le cas des séries 2000, 6000 ou 7000. L’augmentation des caractéristiques mécaniques s’obtient par un durcissement par traitement thermique. On parle d’alliage à durcissement structural ou d’alliage trempant ou d’alliage à traitement thermique.

Notions d'état métallurgique

Trois lettres définissent l’état métallurgique de la matière. Ceci est très important car elles définissent l’état de livraison de la matière :

• F : état brut de fabrication, sans garantie de propriétés
• O : état recuit
• H : état écroui et éventuellement restauré ou stabilisé

La lettre H peut être elle-même suivie d’autres chiffres qui précisent l’état de livraison. L'état H111 est recuit et légèrement écroui par planage ou traction. On modifie les propriétés mécaniques en écrouissant l'aluminium. On augmente la résistance mécanique (Rm) et la dureté en réduisant l'allongement (A%) : la capacité de déformation diminue.

Pour le traitement thermique des alliages d’aluminium, on distingue 3 phases distinctes :

• La mise en solution : on chauffe l’alu à environ 500°C selon l'alliage, pendant un temps court, pour effectuer la mise en solution (solubilité) des éléments d'alliage dans l'aluminium.
• La trempe : on refroidit l’alu rapidement avec de l’eau à 40°.
• La maturation ou le revenu : dans le cas de la maturation, l’alu durcit tout seul à température ambiante pendant quelques jours. On parle aussi de vieillissement naturel ou de maturation. Cette opération peut prendre quelques jours à quelques mois selon la série. Dans le cas du revenu, l’alu durcit car il est maintenu à une température d’environ 165° selon la nuance. On parle aussi de vieillissement artificiel.

La trempe des aluminiums introduit dans de nombreux produits des contraintes internes qui les déforment et qui peuvent nuire à certaines applications : les produits sont alors détensionnés par traction (état TX51 et TX52), par compression ou les deux combinés.

• T : traitement thermique
• T4 : trempé-mûri
• T451 : trempé-mûri-traction contrôlée
• T6 : trempé-revenu

Recuit et traitement thermique : qu’il soit pratiqué sur un acier ordinaire ou sur un alliage d’aluminium, un recuit a sensiblement les mêmes effets, c’est-à-dire qu’il rend le métal plus homogène, fait disparaître les tensions internes, et, le cas échéant, annule les effets de l’écrouissage.
Par contre les effets de la trempe diffèrent : un acier ordinaire trempé est plus dur qu’à l’état recuit alors que la dureté d’un alliage d’aluminium recuit n’est pas augmentée par la trempe, elle peut même être diminuée.

Les caractéristiques des familles d'alliages d'aluminium

Alliages de la série 1000

Les nuances de cette série se caractérisent par leur titre en aluminium proche de 100%. Parmi les nuances utilisées, on trouve le 1050A H14/H24 qu’on demande parfois sous le nom A5 et que des repousseurs peuvent consommer. Il se caractérise par une résistance mécanique faible et une forte résistance à la corrosion. Il est parfaitement soudable et bon pour le pliage et le cintrage. En raison de sa haute conductivité thermique et électrique, le 1050 est couramment utilisé pour des applications électriques. Comparé au cuivre qui est la valeur référence avec une conductivité électrique minimale à l’état recuit à 20° de 100% IACS (International Annealed Copper Standard), la conductivité électrique du 1050 est de 59% IACS.

Alliages Al-Cu de la série 2000

L'élément additionnel est principalement le cuivre.
Les nuances les plus courantes sont 2017A (appelé encore AU4G) à l'état T4 ou T451, le 2024, le 2618A et, en aluminium de décolletage, la nuance 2011 qui a remplacé pour des questions environnementales le 2030 et le 2007 avec un taux de plomb ne dépassant pas 0.60% voire 0.40% selon le producteur.

Quelques infos sur le 2017A :

• Des caractéristiques mécaniques élevées après traitement
• Une bonne aptitude à l’usinage, au polissage, une bonne tenue à chaud entre 100 et 250°
• Cette nuance n’est pas destinée à être soudée et résiste peu à la corrosion en raison de la présence du cuivre
• Cette nuance n'est pas préconisée pour de l'anodisation colorée noire
• Cette nuance est vendue en tôles, en ronds étirés T3 jusqu'au diamètre 60, filés T4 ou coulés selon le diamètre, en carrés étirés ou filés, en tubes ronds filés, en méplats filés, en hexagones...
• Cette nuance est une nuance française, utilisée en France et un peu en Espagne. Dans le reste de l'Europe, c'est la nuance 6082 qui est la plus courante car elle est anodisable, soudable et sans cuivre.

L'alliage 2050 à l'état T84 est un alliage d'aluminium utilisé dans le domaine aéronautique et spatial (Ariane 6, Space X). Il a pour caractéristiques une densité faible (2.71), un module de Young plus élevé (E = 58 GPa en général pour les alliages, 76,5 GPa pour le 2050) et d'avoir une bonne résistance à la corrosion. Il est donc plus léger, plus rigide et plus résistant. Des précautions spéciales sont à prendre pour l'usinage et le traitement des chutes et des copeaux. La société Constellium à Issoire possède une UAP Airware (unité autonome de production) avec une soixantaine de personnes qui s'occupent de la production en série).

La nuance 2024 est une variante améliorée du 2017A avec une teneur en magnésium plus élevée. Les caractéristiques mécaniques sont meilleures avec une bonne ténacité et une bonne résistance à la propagation des criques. Le 2024 est principalement utilisé dans le domaine aéronautique en tôles minces (ASNA 3010) à l'état T3, moyennes et épaisses (ASNA 3011 à l'état T351) et en barres rondes étirées (ASNA 3058 à l'état T351) ou filées (ASNA 3351 T3511 ou ASNA 3182 T3).

La nuance 2618A (A-U2GN) était le principal alliage de structure du Concorde avec 2.5% de cuivre (le 2017 et le 2024 en possèdent de 4% à 4.5%). Il est vendu en tôle épaisse (ASNA 3355 à l'état T851) et en barre ronde filée (ASNA 3357 T8511). L'état T8511 est défini par une mise en solution à 530°, un détensionnement par traction selon des normes précises et un traitement de revenu avec un léger dressage pour le respect de tolérance dimensionnelle.

La nuance 2011 est la nuance utilisée par les décolleteurs avec une addition de plomb (< 0.4%) et de bismuth pour faciliter la fragmentation des copeaux. Elle remplace progressivement le 2030 et le 2007 qui possèdent trop de plomb par rapport aux nouvelles directives européennes dans les marchés électriques, électroniques et dans l'automobile. Le 2011 est vendu en barres étirées à l'état T8 (mis en solution, écroui et revenu) et en barres filées à l'état T6 (mis en solution et revenu) selon le diamètre demandé.

Les alliages de la famille 2000 ne doivent pas être exposés sans protection spéciale aux milieux humides et aux intempéries en raison d'une trop faible tenue à la corrosion.

Alliages Al-Mg de la série 5000

Les alliages de la série 5000 sont durcis par écrouissage.
Les alliages de la série 5000, dont le magnésium est le principal élément d’alliage, combinent une large gamme de résistances, de bonnes aptitudes au formage à froid et à la soudure, ainsi qu’une haute résistance à la corrosion, notamment marine. Les caractéristiques mécaniques augmentent avec la teneur en magnésium. Plus le taux de magnésium est bas, plus l’aptitude à la déformation augmente.
Les nuances les plus courantes sont le 5754, le 5083 et 5086.

• La nuance 5754 H111 appelée autrefois AG3 avec 3% de magnésium est privilégiée pour du pliage à froid.
• La nuance 5086 H111 (A-G4) possède moins de magnésium que le 5083, avec donc des caractéristiques mécaniques plus faibles, mais une plus grande ductilité. Elle est notamment utilisée en chaudronnerie aéronautique et marine.
• La nuance 5083 H111 (AG4.5) avec une plus haute teneur en magnésium (4.5%) se caractérise par :
  • La soudabilité et l’aptitude à la déformation
  • Les meilleures caractéristiques mécaniques de la série 5000
  • Une bonne résistance à la corrosion atmosphérique ou dans l’eau de mer
  On trouve dans le commerce du 5083 coulé fraisé 2 faces avec protection PVC qui est une nuance très stable aux déformations. La matière coulée a bénéficié d'un recuit de stabilisation.
• Pour les tôles anodisées, l'alliage 5005 H14 est vendu brut avec une anodisation incolore de 15 microns et un film de protection PVC. Il est vendu également brossé anodisé souvent en épaisseur 1, 1.5 ou 2 mm. On peut utiliser du brossé anodisé pour des crédences de cuisine en variante à de l'inox 1.4307 Grain 220 en épaisseur 1.5.

Alliages Al-Mg-Si de la série 6000

Les alliages de la série 6000 sont durcis par traitement thermique. Les éléments d'alliages sont le magnésium et le silicium. Ils sont soudables et anodisables. Ils sont facilement transformables à froid par filage notamment à grande vitesse. Ils résistent bien à la corrosion atmosphérique.
Les nuances les plus courantes sont 6005, 6105, 6060, 6061 et 6082.

• L’alliage 6005A est utilisé pour des profils en menuiserie aluminium. Comme l’alliage 6105 T5, il doit posséder une petite dose de chrome et de manganèse. Ces petites portions permettent de multiplier par deux la ténacité.
• L’alliage 6060 (A-GS) est l'alliage de filage par excellence. Il est très utilisé pour la réalisation de tubes filés, de profilés dans le domaine de la menuiserie métallique. Il peut être filé à grande vitesse de manière économique et il est apte aux traitements de surface comme l’anodisation colorée ou incolore. Les caractéristiques mécaniques sont moyennes et inférieures aux séries 2000 et 7000 mais suffisantes pour les applications prévues. Les alliages de la série 6000 sont soudables.
• L’alliage 6061 T4, T6 ou T651 (T651=durci par traitement thermique : mise en solution, revenu et tractionné) est un alliage de structure de force moyenne (310 MPa à l'état T6), utilisé notamment dans l’aéronautique avec un large éventail de caractéristiques mécaniques, une bonne tenue à des températures basses (-196°), une bonne soudabilité et une bonne résistance à la corrosion.
• L’alliage 6082 T6 est un alliage fort de structures pour applications dans le transport (automobile, ferroviaire), le bâtiment (charpentes, échafaudages...), les biens d’équipements (mobilier urbain, pylônes...). Cet alliage est apprécié pour son aptitude à être anodisé, sa soudabilité, sa stabilité dimensionnelle et sa tenue à l'eau de mer. Les alliages de structures font concurrence aux aciers car ils ont des caractéristiques mécaniques élevées de 320 à 340 MPa à l'état T6.

Alliages Al-Zn-Mg de la série 7000

L'élément d'alliage principal est le zinc qui a pour effet principal de diminuer la corrosion par piqûres. La dureté des alliages de la série 7000 est obtenue par traitement thermique. Ce sont des alliages à durcissement structural. Comme pour la série 2000, les propriétés mécaniques sont élevées. Ce sont les séries 2000 et 7000 qui connaissent le plus de recherche et le développement de nuances de plus en plus nombreuses, notamment pour le secteur aéronautique avec l’amélioration des propriétés mécaniques et de la résistance à la corrosion.

Dans cette famille, on distingue les alliages sans cuivre (7020) et les alliages avec cuivre (7075, 7049A, 7010, 7050...) qui sont de loin les plus nombreux. Les propriétés diffèrent significativement selon qu’ils en aient ou pas, notamment au niveau de la résistance à la corrosion et de la soudabilité.

• L’alliage le plus utilisé pour l’usinage est le 7075 à l’état T651. Il est utilisé dans l’aéronautique, l’armement, le sport (bâtons de ski...), en mécanique générale (outils...). Il est difficilement soudable (uniquement par techniques spéciales, faisceaux d’électrons), impropre aux procédés TIG-MIG et avec une faible résistance à la corrosion.
  Notons que les caractéristiques mécaniques, les plus élevées à froid, décroissent rapidement au-delà de 100-110° et qu’on lui préfère, pour des applications à chaud, l’alliage 5083 ou le 2017A.
  Le 7075 est parfois appelé par le nom commercial "Fortal", mais attention car Fortal peut également désigner d'autres nuances...
• L’alliage 7175 est une nuance améliorée du 7075 et qui est essentiellement utilisée dans l’aéronautique comme les récentes nuances 7010, 7050, 7040 avec des traitements de surrevenu type T7X.
• Les nuances 7010 T7451 et 7050 T7451 ont été principalement développées pour des épaisseurs de tôles supérieures à 80 mm avec une amélioration de la trempabilité grâce au remplacement du chrome par le zirconium et un bon compromis entre la résistance mécanique et la résistance à la corrosion. Le 7050 est américain, le 7010 français.
• Le 7049A offre les meilleures caractéristiques mécaniques à l'état T6 pour des barres filées diam 6 à 120.

Les alliages de la famille 2000 et 7000 ne doivent pas être exposés sans protection spéciale aux milieux humides et aux intempéries en raison d'une trop faible tenue à la corrosion.

Densité de l'aluminium

En règle générale, on dit que l'aluminium a une densité de 2700 Kg/m³. Cependant, d'une nuance à l'autre, la densité pourra varier sensiblement... Ci-dessous les valeurs pour quelques nuances usuelles :

Aluminium et corrosion

Une très fine couche passive d’alumine se forme à la surface de l’aluminium et apporte une bonne tenue à la corrosion. Cette fine couche très stable garantit une grande résistance à la corrosion sur plusieurs décennies : on retrouve donc l’aluminium dans du mobilier urbain, dans la construction des piscines, dans les revêtements de façades (bardages), dans les menuiseries des fenêtres...

Pour la série des 5000, la magnésie se combine à l’alumine et renforce la couche protectrice. C’est pour cela que les alliages de la série 5000 sont choisis pour leur tenue à la corrosion en milieu humide et en milieu marin, au contraire des séries 2000 et 7000 dont les éléments d'alliages affaiblissent la couche protectrice en les rendant impropres à une utilisation en milieu humide (eau, atmosphère). Ils peuvent toutefois être recouverts d’une peinture ou être anodisés.

Aluminium et anodisation

L’anodisation est un traitement de surface visant principalement à améliorer la résistance à la corrosion de l’aluminium. On se sert également de ce procédé dans le domaine de la décoration avec une anodisation incolore ou teintée.
La pièce est trempée dans un bain d'acide sulfurique à une température comprise entre 16 et 24° pendant une durée de 20 à 60 minutes. Selon l'alliage, le film obtenu va de 5 à 25 microns. Pour les pièces aéronautiques, on pratique surtout l'anodisation chromique ou l'anodisation tartrique (OAST=Sulfo Tartrique).
On parle d’OAS (oxydation anodique sulfurique), d’OAC (oxydation anodique chromique) et d’OAD (oxydation anodique dure) avec une épaisseur supérieure à 20 microns pour des usages spécifiques très agressifs. L’anodisation sulfurique est de loin la plus répandue.

Toutes les nuances ne réagissent pas de la même façon à l’anodisation :

• Les alliages de la série 2000 sont peu aptes à l’anodisation. L’épaisseur de la couche est très réduite et son efficacité aussi
• Les alliages de la série 5000 sont aptes
• Les alliages de la série 6000 sont parfaitement aptes

Pour les tôles anodisées, l'alliage 5005 H14 est vendu brut avec une anodisation incolore de 15 microns et un film de protection PVC. Il est vendu également brossé anodisé souvent en épaisseur 1, 1.5 ou 2 mm. On peut utiliser du brossé anodisé pour des crédences de cuisine en variante à de l'inox 1.4307 Grain 220 en épaisseur 1.5 par exemple.

Pour en savoir plus sur l'anodisation, cliquez ici : L'anodisation

Article rédigé par Frédéric Crespel, spécialiste des métaux et fondateur de aciersspeciaux.fr