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1 SAID BENSAADA N.BENDRIHEM OUMAIMA BENSAADA SCIENCE DES MATERIAUX Deuxième par

1 SAID BENSAADA N.BENDRIHEM OUMAIMA BENSAADA SCIENCE DES MATERIAUX Deuxième partie 2 PREFACE Les matériaux en général et les métaux en particulier constituent un rôle important pour tout développement industriel ou progrès technologique. Une grande partie de l'activité économique des pays industrialisés est rattachée aux matériaux. Vu les exigences de l'industrie moderne, de nombreux programmes de recherche sont en route pour le développement d'autres matériaux plus performants et moins coûteux tels que les composites, les céramiques, les polymères etc.…, mais les alliages métalliques occupent toujours une place importante, car les caractéristiques de ces derniers s'améliorent de jour en jour grâce aux recherches. Les propriétés d'emploi des métaux et alliages sont déterminées en grande partie par la morphologie et le degré de dispersion des phases qui les constituent, c'est-à-dire par la microstructure. Aujourd'hui maîtriser les microstructures en vue d'optimiser telle ou telle propriété est réalisable par des traitements thermiques ou thermomécaniques appropriés, qui sont fondés sur les possibilités de transformations structurales. Cette deuxième partie du présent ouvrage vient en complément de la première partie science des matériaux et expose clairement les fondements technologiques de l’élaboration des métaux non ferreux, leurs désignations ainsi que leurs transformations. On expose aussi les concepts définis par les lois d’usure, au regard des propriétés des matériaux, par les phénomènes de frottement courant entre surfaces déjà exposée dans la première partie, une notion fondamentale dans la construction mécanique étant insérée, celle de la dégradation des matériaux par les différents aspects des phénomènes de dégradations dues à la corrosion. le moulage et le soudage prennent une place très importante, car beaucoup de produits industriels sont élaborés grâce à ces deux procédés. Les Co-auteurs 3 1. Métaux et alliages non ferreux 1.1. L'aluminium et ses alliages L'aluminium est un élément du IIIème groupe de la classification de Mendeléev, dont le nombre atomique est 13 et la masse atomique 26,98 (environ 27). L'aluminium possède un réseau cubique à faces centrées à équidistance : a = 4,0412 Å, sa caractéristique la plus importante est la faible densité 2,7 g/cm3 (celle du fer 7,8 g/cm3 et celle du cuivre 9 g/cm3). L'aluminium représente environ 7,5 % en masse dans l’écorce terrestre. L'aluminium et ses alliages prennent encore aujourd'hui une place importante dans les différents domaines de l’industrie. Son utilisation s’accroît de jour en jour grâce à ses propriétés particulières qu'il présente : - Légèreté et bonne résistance, ce qui facilite son utilisation dans la construction mécanique. - Bonne conductivité de chaleur et d’électricité. - Bonne tenue à la corrosion grâce à la formation en surface d’une pellicule très fine, ≈ 0,7 µm, et très résistante de Al2O3, (plus l'aluminium est pur plus sa tenue à la corrosion est élevée). L'aluminium, en contact avec l’oxygène de l’air, forme très vite une couche d’oxyde Al2O3 qui protège le métal contre les attaques chimiques. Cette pellicule est non soluble dans l’eau, donc l’aluminium est très résistant contre l’influence atmosphérique et il est très utilisé surtout dans l’industrie chimique et alimentaire. - Possibilité facile de déformation et de soudage. 1.2. Elaboration de l’aluminium Le minerai utilisé pour l’élaboration de l'aluminium est la bauxite, c’est un oxyde d’aluminium contenant des impuretés tels que la silice, l’oxyde de fer et l’oxyde de titane. Le constituant essentiel est l’aluminium hydraté sous différentes formes : Al2O3.H2O et Al2O3.3H2O. Les deux types de bauxites sont : - Les bauxites rouges dont la teneur en oxyde de fer est relativement élevée. - Les bauxites blanches, qui contiennent peu de fer, mais beaucoup de silice. Le plus souvent, on utilise les bauxites rouges pour l’élaboration de l’aluminium en raison de leur faible teneur en silice (< 5%). 4 La composition chimique moyenne d’une bauxite rouge est la suivante : Al2O3 : 53 %, SiO2 : 4 %, H2O : 13 %, Fe2O3: 25 %, Ti O2 : 3 % Les bauxites blanches servent à la fabrication de ciment, d’abrasif et de produits réfractaires. La bauxite se prépare le plus souvent selon le procédé BAYER et selon les étapes suivantes : a. Concassage de la bauxite : La bauxite est concassée et éventuellement broyée après séchage. b. Attaque de la bauxite par la soude (Na OH) concentrée : L'opération s’effectue dans des autoclaves à une température T = 170°C et une pression de 7 atmosphères. La bauxite est dissoute sous forme d’aluminate de sodium. Le fer ne se dissout pas, tandis que l’acide silicique passe dans les silicates de Na et Al : Na OH + Al (OH)3 → Na A1O2 + 2H2O Ce qui entraîne une perte en Al et NaOH. L’opération se fait généralement en marche continue par passage à travers une série d’autoclaves pour une durée de 6 à 8 heures. La lessive obtenue contient en plus de la soude concentrée, 270g de Al2O3 par litre. c. Séparation de l’aluminate de sodium et précipitation de l’alumine : La lessive est extraite des autoclaves pour être diluée afin d’obtenir une bonne concentration du reste de la solution et de la boue. Apres dilution, concentration et filtrage, on obtient une liqueur claire dans laquelle l’aluminium est dissous, elle est en vouée ensuite aux réservoirs de précipitation où s'effectue a 60°C, l’opération inverse de la réaction de dissolution : Na AlO2 + 2H2O → Al (OH)3 Na OH La cristallisation de AI (OH)3 pur, s’effectue très lentement. En cinq jours, il y a dépôt d’environ 60 % de 1’alumine contenue dans l’aluminate. Pour accélérer le processus de dépôt, on ajoute à la liqueur claire, de 1’hydroxyde d’aluminium solide (moyens de génération). A la fin, Al (OH)3 cristallisé, est aspiré et filtré de la lessive et séché, ensuite acheminé vers les fours rotatifs. Le résidu de filtration subit l’opération de concentration par évaporation avant d’être utilisé comme soude concentrée. d. Calcination de l’alumine : L’aluminium hydraté, après séchage, subit une calcination dans les fours rotatifs à une température de 1200°C, on obtient de l’alumine avec une teneur en Al2O3 de 99,2 à 99,5 %. e. Electrolyse de l’alumine : Du fait de la grande affinité de l’aluminium pour l’oxygène, l’aluminium ne peut être réduit par les réducteurs habituels (C ou Co) et l’on a recours à l’électrolyse. La décomposition 5 électrolytique de l’alumine, s’effectue dans un bain de cryolite Na3AIF6, à une température de 920 à 950°C. La cryolite pure, se fond à 1000°C, alors que l’alumine fond à 2000°C. Durant l’électrolyse, la cryolite dissout de l’alumine, à cet effet on ajoute du Al2F3 pour la neutralisation des éléments alcalins accompagnant l’alumine, ainsi que pour avoir un électrolyte à caractère acide faible et enfin pour diminuer la température de fusion de l’électrolyte. L’une des exigences envers la composition chimique de l’alumine est surtout la teneur de Fe2O3, qui doit être inférieur à 0,04 % et celle de SiO2 < 0,3 %, car ces deux composés sont plus nobles que l’aluminium et peuvent être séparés avec l’aluminium durant l’électrolyse. Ce qui diminue la pureté de l’alumine est l’électrolyse proprement dite, effectuée dans un four, (fig. 1), avec une masse en carbone jouant le rôle de cathode et fermant le fond du four à la partie supérieure, où sont placées les anodes (anodes précuites ou anodes continues). fig. 1 La tension de travail est de 4,5 volts et l’ampérage est de 30.000 à 100.000 Ampères. L’aluminium s’accumule sur le fond du four et forme pratiquement la cathode et de temps en temps, il est recueilli et coulé en lingots ou dans des mélangeurs. Pour l’élaboration d’une tonne d’aluminium, on a besoin de : - 2000 kg d’alumine. - 30 kg de cryolite. - 30 kg de fluoride d’alumine. - 550 kg d’anode en carbone. 6 - 15 à 20 MWH de charge électrique. L’aluminium obtenu a une pureté de 99,2 à 99,9 % et les impuretés essentielles sont : Fe et Si et en faible quantité, Cu, Mg, Ti, Na. Pour l'élaboration de l'aluminium pur a 99,99 %, il est nécessaire de procéder à une deuxième électrolyse. L’aluminium pur, possède une résistance chimique très élevée. Les alliages d’aluminium à grande résistance sont plaqués par de l’aluminium pur, afin de combiner la bonne résistance à la corrosion avec la résistance de l'alliage. L'aluminium pur, peut avoir un éclat grâce aux différents procédés de trempage. L'oxydation anodique est le traitement superficiel le plus important pour l'aluminium. Il s'agit du renforcement du film d’oxyde naturel par la voie électrolytique, donc l’augmentation de l’action de protection contre la corrosion et l’amélioration de la dureté et du comportement contre l’usure. Dans le tableau ci-dessous est indiqué la composition chimique de l’aluminium pur selon TGL Quantité en % Type Total Fe Si Cu Zn Ti Autres Al 99,99 R 0,01 0,005 0,005 0,003 0,005 0,002 0,001 Al 99,95 R 0,05 0,025 0,020 0,015 0,005 0,005 0,005 Al 99,9 R 0,10 0,05 0,04 0,03 0,005 0,01 0,001 Al 99,8 0,20 0,12 0,10 0,01 0,04 0,03 0,01 Al 99,7 0,30 0,16 0,10 0,01 0,05 0,03 0,01 Al 99,5 0,50 0,40 0,16 0,02 0,06 0,03 0,01 Al 99,4 0,60 0,50 0,30 0,02 0,07 0,03 0,03 Al uploads/s3/ science-des-materiaux-tome-2-pdf.pdf