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Matériaux Ferreux / Non Ferreux

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I ) Généralités

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II ) Etats métallurgiques

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III ) Les fontes

COMPOSITIONS DES FONTES

On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone:

• Fonte hypoeutectique : de 1,7 à 4,3 % de carbone ;

• Fonte eutectique : 4,3 % de carbone

Cette fonte a la température de fusion la plus basse à 1135 °C.

• Fonte hypereutectique : de 4,3 à 6,67 % de carbone ;

Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable: fer-cémentite (ci-dessous représenté), alors que les fontes cristallisent dans le diagramme fer-carbone stable : fer-graphite. La différence entre ces 2 diagrammes réside en premier lieu dans la vitesse de refroidissement, qui quand elle est assez lente, permet d'obtenir du graphite, et non de la cémentite.

Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser conditions d'existence des fontes

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LA FILIERE DE LA FONTE :

Fontes GJL

Fontes Grises

Fontes 1 fusion

Fontes non alliées Fontes alliées

Fontes blanches

Fontes GJMW GJMB

Fontes GJS

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CARACTERISTIQUES DES FONTES

Fonte grise : Famille des fontes ou le carbone se trouve sous forme de graphite. La structure graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l'ajout de composants graphitisants comme le silicium.

A. Fonte à graphite lamellaire EN-GJL (FGL) :

Ce type de fonte est aussi appelé fontes grises et était désigné avant par les lettres Ft. C’est la fonte la plus utilisée et aussi la plus économique. C'est la plus courante des fontes grises. Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles. Avantage :

� Excellente coulabilité. � Facile à usiner � Bonne résistance à l’usure � Très bonne absorption des vibrations � Prix du métal peu élevé � Très bonne résistance à la corrosion et à la déformation à chaud

Inconvénient : � Cassante

Les principales utilisations :

• Toutes pièces mécaniques. • Bâtis de machines outils. Bonne résistance aux vibrations. • Tuyaux et canalisation (il est possible de couler des tubes de grande taille via le

coulage par centrifugation).

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Désignation numérique : Exemple : EN-JL 1030

Désignation symbolique : Exemple : EN-GJL-200

B. Fontes à graphite sphéroïdale EN-GJS (FGS) aussi appelée Fonte Ductile) :

Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Ce sont les fontes les plus utilisées après les fontes lamellaires. Elles ont la particularité de réagir d’une manière équivalente à l’acier en traction.

EN - J L 1030

European Norm Fonte Lamellaire Code numérique Rre = 200Mpa

European Norm

Graphique Lamellaire 200= Valeur en Mpa De la résistance Minimale à la rupture par extension

EN - G J L - 200

Fonte

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Avantage :

� Excellente coulabilité. � Facile à usiner � Bonne résistance à l’usure � Grande capacité d’amortissement des vibrations. � Soudabilité

Inconvénient : � Cassante

Les principales utilisations :

• Industrie automobile /Pièce de liaison au sol (ex : bras de suspension) • Canalisations

Désignation numérique : Exemple : EN- JS 1050

Désignation symbolique : Exemple : EN-GJS-500-7

EN - J S 1050

European Norm Fonte Sphéroïdale Code numérique Rre = 500Mpa A%= 7%

European Norm

Graphique Sphéroïdale

500 =Valeur en Mpa De la résistance Minimale à la rupture par extension 7 = Pourcentage de L’allongement après rupture

EN - G J S - 500 - 7

Fonte

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C. Fontes blanches (FB) : C’est la fonte de la première fusion. L’utilisation de ces fontes est limitée.

Un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les pièces d'aspect et la fonderie d'art. Avantage :

� Très dures. � Bonne résistance aux frottements. � Bonne résistance aux températures élevées. � Un bel aspect

Inconvénients :

� Fragiles. � Mauvaise usinabilité.

D. Fontes malléables EN-GJMW et EN-GJMB (MB-MN) : Elles sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche (équivalent à un recuit). Avantage :

� Bonne caractéristiques mécaniques. � Resistance élevée aux chocs. � Bonne coulabilité et usinabilité.

Désignation numérique : Exemple : EN-JM 1130

EN - J M 1130

European Norm Fonte Malléable Code numérique Rre = 350Mpa A%= 10%

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Désignation symbolique

Exemple : EN-GJMB-350-22 ou EN-GJMW-350-22 Autres caractéristiques :

� Densité : 7.2

� Température de Fusion : 1135 °C à 1350 °C en fonction du pourcentage de carbone et de silicium qu'elle contient.

European Norm

Graphique Malléable

350 =Valeur en Mpa De la résistance Minimale à la rupture par extension 22 = Pourcentage de L’allongement après rupture

EN - G J M Bou W - 350 - 22

Fonte

B= Cœur No ir W= Cœur Blanc

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PROPRIETES MECANIQUES

Désignation du matériau

Code numérique

Résistance à la traction

Rm en N/mm2

Limite conventionnelle d’élasticité 0.2% Rp0.2 en N/mm2

Allongement minimal A

en %

EN GJS 350-22 LT Basse température EN-JS1015 350 220 22

EN GJS 350-22 RT Température ambiante EN-JS1014 350 220 22

EN GJS 350-22 EN-JS1010 350 220 22

EN GJS 400-18 LT Basse température EN-JS1025 400 240 18

EN GJS 400-18 RT Température ambiante EN-JS1024 400 250 18

EN GJS 400-18 EN-JS1020 400 250 18

EN GJS 400-15 EN-JS1030 400 250 15

EN GJS 450-10 EN-JS1040 450 310 10

EN GJS 500-7 EN-JS1050 500 320 7

EN GJS 600-3 EN-JS1060 600 370 3

EN GJS 700-2 EN-JS1070 700 420 2

EN GJS 800-2 EN-JS1080 800 480 2

EN GJS 900-2 EN-JS1090 900 600 2

PROPRIETES MECANIQUES

Désignation du matériau

Code numérique

Résistance à la traction Rm dans des

échantillons séparés en N/mm2

Résistance à la traction Rm dans des

échantillons attenants en N/mm2

Résistance à la traction Rm pour la

pièce moulée en N/mm2

EN-GJL 100 EN-JL-1010 100 à 200 - -

EN-GJL 150 EN-JL-1020 150 à 250 - 180

EN-GJL 200 EN-JL-1030 200 à 300 - 230

EN-GJL 250 EN-JL-1040 250 à 350 - 250

EN-GJL 300 EN-JL-1050 300 à 400 - 270

EN-GJL 350 EN-JL-1060 350 à 450 - 315

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La ferrite est une solution solide de carbone dans l'allotropie α du fer. Le terme ferrite désigne en effet l'acier à très faible teneur en carbone. Toutefois, comme son champ d'existence dans le diagramme de phase fer-carbone s'élargit très peu vers le carbone, le terme ferrite est souvent utilisé même pour indiquer le fer α lui-même. Celui-ci correspond à la phase stable du fer pur lorsque la température est inférieure à 914°C. Elle se présente sous la forme d'une structure cubique centrée, qui existe également pour le fer pur entre 1 391°C et 1 536°C (on parle alors de fer δ). Entre 914°C et 1 391°C, on est dans le domaine de stabilité du fer γ. La perlite est un constituant biphasé de l'acier. C'est un agrégat formé de 89 % de ferrite et 11 % de cémentite. La composition de la perlite est de 0.8%m de carbone. Sa structure est généralement formée de lamelles alternées de cémentite (Fe3C) et de ferrite. La germination se fait aux joints de grain de la phase mère austénitique. La croissance des lamelles (ferrite, cémentite) est parallèle. Suivant la vitesse de refroidissement, on parle de perlite fine (vitesse élevée) ou de perlite grossière (vitesse lente). Les propriétés mécaniques dépendent de la finesse (distance entre lamelles). La dureté de la perlite est d'environ 220HV, nettement supérieure à celle de la ferrite (80HV). L'austénite est une solution solide de carbone dans l'allotropie γ du fer, qui est stable entre 910°C et 1 394°C. Cet allotropie a une structure cristallogr aphique cubique à faces centrées, notation Strukturbericht A1, qui permet une grande solubilité du carbone (jusque 2,1 % massique à 1 147°C). Le fer γ est paramagnétique (on entend par là qu'elle quitte le domaine de ferromagnétisme du fer à basse température - T<Tc=770°C - et rentre dans le domain e paramagnétique La cémentite (ou carbure de fer) est un composé chimiquement défini de structure orthorhombique dont la formule est Fe3C. Des éléments tels que le manganèse ou le chrome peuvent se substituer partiellement au fer. Elle contient 6,67% massique de Carbone. C'est un composé très dur.

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IV ) Les aciers ELABORATION Il existe deux méthodes de fabrication de l’acier selon que celui-ci est produit à partir du minerai de fer ou provient du recyclage des ferrailles.

Premiers mode de production : La filière fonte. A l’issue de cette première étape, la fonte est dirigée vers un appareil appelé convertisseur. Il existe deux types principaux : convertisseur Henry Bessemer et le convertisseur Thomas Gil christ. La fonte en fusion est versée sur un lit de ferraille. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. On obtient de l'acier liquide "sauvage", qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait, qui va être acheminé vers l’installation d’affinage et de mise à nuance .

Deuxième mode de production : la filière électrique ou élaboration de l’acier sans passer par la fonte.

Les ferrailles proviennent des emballages jetés, des bâtiments, machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d’acier récupérés dans la sidérurgie ou chez ses clients transformateurs.

On fond les ferrailles dans un four électrique. L’ACIER LIQUIDE obtenu est ensuite soumis aux mêmes opérations d’affinage et de mise à nuance que dans la filière fonte.

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1. LES DIFFERENTES FAMILLES D ’ACIERS

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Aciers d’usage général Types S, E, P, L, B, M, H, etc… Ils sont une faible teneur en carbone et sont les plus utilises, leurs qualités pouvant varier. La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (profiles, poutrelles, barres, tôles…) aux dimensions normalisées. Leurs applications vont de la construction soudée à l’ameublement en passant par l’électroménager.

Exemple de désignation : E 295 : est un acier de construction mécanique et résistance a la limite d’élastique de 235 N/mm² Aciers non alliés pour traitement thermique Types C. Destinés aux traitements thermiques (trempe, cémentation) des pièces petites ou moyennes, ils sont caractérisés par un ajustement précis de leur composition et une plus grande pureté.

Exemple de désignation : GC 35 : ……………………………………………………………………

C 50

C : Acier non allié Pourcentage de la teneur en carbone x 100% 50= 0.5% de carbone

G

G : acier moulé (si nécessaire)

….

Indications complémentaires

S 235

S : acier de construction E : acier construction mécanique P : acier pour appareils à pression B : acier à béton H : produit plat L : acier pour tube M : acier électrique

Valeur minimale de la limite élasticité en MPA ou N/mm² RE= 235 N/mm²

G

G : acier moulé

….

Indications complémentaires

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Aciers faiblement alliés Pour ces aciers, aucun élément d’ addition ne dépasse 5% . Ils sont choisis chaque fois q’une haute résistance est exigée. Ils sont utilisés en l’état ou avec traitement.

Exemple de désignation : 35 NiCrMo16. Le premier chiffre (35) représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Ni, Cr et Mo) et leurs pourcentages respectifs multipliés par un cœfficient dépendant de sa nature définie par le tableau dessous.

Éléments d'alliage FACTEUR

Cr (Chrome), Co (Cobalt), Mn (Magnesium), Ni(Nickel), Si(Silicium), W(Tungstène) 4

Al (Aluminium), Be (Béryllium), Cu (Cuivre), Mo (Molybdène), Nb (Niobium), Pb (Plomb), Ta (Tantale), Ti (Titane), V(Vanadium), Zr (Zirconium),

10

Ce (Cérium), N (Azote), P (Phosphore), S (Soufre), 100

B (Bore), 1 000

35 Ni Cr Mo

% de carbone multiplié par 100 0.35% de carbone

Principaux éléments d’addition dans l’ordre

G

G : acier moulé (si

16

Le pourcentage des différents éléments X par un facteur variable suivant les

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• Tableau éléments chimiques

Elément d’addition

Symbole chimique


Symbole chimique


Symbole chimique

Aluminium Al Cuivre Cu Phosphore P

Antimoine Sb Etain Sn Plomb Pb

Argent Ag Fer Fe Silicium Si

Azote N Gallium Ga Soufre S

Bérilium Be Lithium Li Strontium Sr

Bismuth Bi Magnésium Mg Tantale Ta

Bore B Manganèse Mn Titane Ti

Cadmium Cd Molybdène Mo Tungstène W

Cérium Ce Nickel Ni Vanadium V

Chrome Cr Niobium Nb Zinc Zn

Cobalt Co Zircinium Zr

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Aciers fortement alliés Ils sont destinés à des usages particuliers. Pour ces aciers au moins un élément d’addition dépasse le teneur de 5% en masse.

Exemple de désignation : X 2 Cr Ni 18-9 :………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Les aciers rapides. Les aciers rapides (HS) font partie de cette famille et sont décrits par les lettres HS suivies de la teneur des éléments d'alliages suivants: W Tungstène, Mo molybdène, V vanadium, Co cobalt. Exemple de désignation : HS 2-9-1-8 :………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

6 Cr Ni Ti

% de carbone multiplié par 100 0.35% de carbone

Principaux éléments d’addition dans l’ordre

G

G : acier moulé (si

18 - 11

Teneur en % des éléments d’addition

X

Lettre symbolisant la catégorie

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Les aciers inoxydables Famille très importante, caractérisée par une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud, au fluage et subdivisée suivant la teneur en nickel (2.5%).

• Aciers inoxydables austénitiques [ CR+ NI] Ces aciers, les plus utilisés, sont les plus résistants à la corrosion (Ni >7%). Application : Chimie, alimentaire, transport , nucléaire…) Exemple : X 6 Cr Ni Mo Ti 17-12-2

• Aciers inoxydables ferriques [ au CR ] Ils sont toujours ductiles, ne durcissent ni par trempe ( C< 0.08%) ni par écrouissage, il sont faciles a étirer, former, plier, rouler (Ni <1%). Les moins résistants à la corrosion. Application : Equipements ménagers, décoration intérieure, automobiles, mobilier….. Exemple : X 6 Cr Mo 17-1

• Aciers inoxydables martensitiques [ 0.08< C < 1%] Résistent aux chocs, durcissent par la trempe, sont soudables à chaud, faciles à forger, ont une bonne usinabilité et bonne caractéristiques mécaniques à température élevée (Ni> 7%) et résistent moins à la corrosion que le précédents. Application : Composants divers (toute industries), couteaux, ressorts…. Exemple : X 30 Cr 13

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• Tableau de correspondance

Acier Inox Correspondance

X10Cr Ni 18-8 AISI 301

X5Cr Ni18-10 AISI 304

Acier Inox trempable X46Cr13 AISI 420

X6Cr Ni Mo Ti17-12-2 AISI 316Ti

X2Cr Ni Mo18-14-3 AISI 316L

X5Cr Ni Mo17-12-2 AISI 316

X2Cr Ni Mo18-15-3 implants chirurgicaux

INFLUENCE DES ELEMENTS D ’ADDITION SUR UN ALLIAGE D ’ACIER Aluminium (Al) :

• Agit comme réducteur par affinité pour l’oxygène .Augmente la résistance à la chaleur. • Provoque une structure de grain plus fine. Est utilise dans les processus de calmage (acier

effervescent : acier calme). •

Azote (N) : • Resistance à l’usure en cas adjonction en surface. • Accélère le vieillissement.

Carbone C:

• C’est élément le plus important de l’alliage à la traction et la dureté de l’acier tout en diminuant l’allongement.

Chrome Cr:

• Augmente la résistance a la traction sans diminuer l’allongement. • Augmente la dureté a des températures plus Elevée. • Augmente fortement la résistance à la corrosion acier inoxydable.

Cobalt :

• Augmente fortement les propriétés magnétiques. Le (Fe, NI, Ce, Co sont magnétique.

Cuivre : • Augmente la résistance a la corrosion la résistance a la traction et allongement.

Manganèse : • Augmente la résistance à la traction et limite élastique tout en maintenant un allongement

convenable. • Augmente très fortement la résistance à l’usure lorsque les quantités ajoutées deviennent plus

importantes.

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Magnésium :

• Agit comme réducteur et est utilise dans le processus de calmage Molybdène :

• Augmente fortement la résistance à l’usure et la résistance a la chaleur Nickel :

• Augmente la résistance à la traction et l’allongement en ajoutant des quantités très faibles. • Augmente la résistance à la corrosion aux acides et a la chaleur en ajoutant des quantité plus

importantes. Niobium :

• Augmente la résistance aux acides. • Améliore la soudabilité.

Phosphore :

• En principe il agit d’une impureté mais dans cas elle peut être nécessaire. • Favorise la formation de copeaux courts. • Favorise la coulée.

Plomb :

• Améliore l’enlèvement de copeaux. Silicium :

• Augmente la résistance à la traction et la limite d’élasticité. Augmente la résistance électrique. • Diminue la soudabilité.

Souffre :

• En principe il agit d’une impureté mais favorise le parachèvement d’acier de décolletage. • Facilite l’usinage des aciers a décolletage.

Titane :

• Améliore la soudabilité. Vanadium :

• Augmente la résistance a la traction et la limite élastique sans influence sur l’allongement.

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V ) L’aluminium & ses alliages

ELABORATION DE L ’ALUMINIUM L'aluminium figure en quantité comme le troisième élément de l'écorce terrestre, après l'oxygène et le silicium. Après avoir été longtemps considéré comme un métal précieux, il est maintenant le principal métal non ferreux industriel 1. Le minerai :

Bien que l'aluminium apparaisse généralement sous la forme de silicates, le seul minerai utilisé est la bauxite, qui est une alumine hydratée impure : elle contient 45 à 60 % d'alumine 20 à 30 % d'oxyde ferrique, le reste étant formé de silice, d’oxyde de titane et d'eau. Cette alumine se présente dans l'une des espèces minéralogiques suivantes : la Gibsite, (bauxites tropicales) et la Boehmite (bauxites européennes).

La métallurgie de l'aluminium va consister à extraire l'alumine pure de la bauxite, puis à réduire cette alumine pour obtenir l'aluminium pur 2. Fabrication de l’alumine (Procede Bayer).

Préparation du minerai :

La bauxite est concassée et ensuite broyée en présence de la liqueur d'attaque (solution d'aluminate de sodium et de soude) pour obtenir une suspension de bauxite broyée.

Attaqué par la soude :

La suspension est portée à 235 - 250 °C sous une pression de 35 à 40 bars dans des autoclaves.

La suspension est constitué de liqueurs riches en alumine (sous forme de tétrahydroxyaluminate de sodium, de boues insolubles (impuretés)) est diluée et décantée. Les boues ainsi séparées sont lavées pour récupérer la liqueur d'imprégnation, et la liqueur riche en alumine est recueillie au - dessus des décanteurs et filtrée pour éliminer les impuretés solides.

Décomposition de l'aluminate :

La liqueur diluée enrichie en aluminate est refroidie dans des échangeurs. La dilution et le refroidissement de la liqueur engendrent la précipitation d'hydroxyde d'aluminium.

Une fraction importante de l'hydroxyde formé est recyclé pour constituer l'amorce, et l'autre partie qui représente la production est lavée sur filtres avant d'alimenter les fours à calciner. Ces fours tournants, d'une centaine de mètres de long, atteignent des températures de, 1300° C qui permettent d'obtenir l'alumine pure :

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La calcination est le dernier stade de la fabrication de l’alumine.

* Une métallurgie d’élaboration a été mise au point à partir de silicates utilisables en cas de difficultés d’approvisionnement conjoncturelles en bauxite.

Fabrication de l’aluminiun

L'alumine est un oxyde très stable qui ne peut pas être réduit par les réducteurs habituellement

utilisés en métallurgie. Il faut employer la réduction cathodique qui se produit dans l'électrolyse.

L'électrolyte

La température de fusion de l'alumine (2040 °C) est trop élevée pour que l’électrolyse de l'alumine fondue soit réalisable industriellement. On lui ajoute un fondant - la cryolithe - qui est de l’hexafluoroaluminate de sodium, pouvant être préparé industriellement.

L'électrolyse

Au point de vue réalisation, l'électrolyse s'effectue dans des cuves rectangulaires qui servent de cathode et au - dessus desquelles se trouvent les anodes en carbone.

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L'électrolyse se produit sous une tension de 4 volts avec des courants continus très intenses allant jusqu’à 150 000 ampères.

Les cuves d'électrolyse

L'oxygène produit réagit à l'anode pour former simultanément . L’anode est donc brûlée par l'oxygène et doit être remplacée. Ceci a conduit à deux types de cuves d'électrolyse :

• Les cuves à anodes précuites. • Les cuves à anodes Söderberg.

Les anodes précuites sont réalisées à partir de coke de pétrole et de brai (16 %), par pressage et

cuisson. Chaque cuve comporte un nombre variable d'anodes qui doivent être remplacées après usure.

L'anode Söderberg est unique et de grandes dimensions (jusqu'à 6,80 m x 2.40 m). Réalisée à partir de coke de pétrole et de brai (30 %), elle glisse dans une gaine en tôle d'acier. C'est une anode continue qui cuit au fur et à mesure de la descente. Elle est alimentée par un chargement régulier de pâte à sa partie supérieure.

Le bain est alimenté par piquage régulier d'alumine. En particulier, il ne faut pas que la teneur en alumine descende au - dessous de 1.5 %. Il faut également corriger

La coulée du métal s'effectue par siphonage sous vide. Il est coulé sous forme de lingots, de plaques

ou de billettes qui alimentent les usines de transformation.

Les usines d'électrolyse comportent un grand nombre de cuves montées en série (jusqu à 250), ce qui implique un besoin très important en énergie électrique. Cette énergie entre pour 25 % dans le prix de revient du lingot.

Raffinage de l'aluminium

L'aluminium sortant des cuves d'électrolyse a une teneur de l’ordre de 99,7 %. Un procédé de raffinage électrolytique permet d'obtenir un métal à 99,99%.

Bilan énergétique

Pour une tonne d'aluminium, il faut :

- 1 900 kg d’alumine - 430 kg de carbone pur (anode) - 30 kg de cryolithe - 13000 kWh en énergie électrique.

Pour obtenir ces 1 900 kg d’alumine, il faut :

- 5000 kg de bauxite - 210 kg de soude - 13 500 kg d'eau et 600 kg de fuel.

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-

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DESIGNATION Aluminium et alliages corroyés Cette famille, est la plus utilisée, comprend tous les produits lamines d’usage courant ( barres, profilés , tôles…..).

Exemple de désignation : EN AW- 5086 [Al Mg 4]: est un alliage d’aluminium avec 4% de magnésium.

- 1 0 5 0 A [ Al 99.5 ]

Chiffre identifiant la famille de l’alliage : 1 : Aluminium pur teneur >99.9% 2 : Al + Cuivre 3 : Al + manganeze 4 : Al + silicium 5 : Al +magnesium 6 : Al + magnésium + silicium 7 : Al + zinc 8 : Al + autres éléments

Préfixe : A : pour aluminium W : pour corroyé

- aluminium pur : indice de pureté (0 à 9) - alliages : nombre de modifications apportées à alliage d’origine (0 à 9) - 0 = alliage d’origine

EN AW

- teneur en aluminium au-delà de 99.00% - numéro d’identification (cas des alliages)

Symbole chimique éventuel entre crochets

Lettre éventuelle

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Aluminium et alliages pour fonderie La plupart des nuances sont faciles à mouler (moule en sable ou moule métallique permanent) en moyenne ou grande série et une pièce unitaire. Inconvénient : grand retrait au moulage 3.5 à 8.5% en volume ) qui peut être minimisé par un bon tracé de la pièce.

Exemple de désignation : EN AC – 45400 ou EN AC – Al Si5 Cu3 : est un alliage d’aluminium pièce moulé, possédant 5% de silicium et 3% de cuivre.

- 45400 [ Al Si5 Cu3 ]

21xxx : Al Cu 41xxx : Al Si Mg Ti 42xxx : Al Si7 Mg 43xxx : Al Si10 Mg 44xxx: Al Si 45xxx : Al Si5 Cu 46xxx : Al Si9 Cu 47xxx : Al Si(Cu) 48xxx : AlSi Cu Ni Mg 51xxx : Al Mg 71xxx : Al Zn Mg

EN A C

Symbole chimique alliage

préfixe

aluminium

B : lingot C : pièce moulée M : alliage mère

et/ou

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VI ) Le cuivre & ses alliages

GENERALITES Symbole chimique : Cu Le cuivre est le premier métal que l’humanité ait connu et su travailler. On retrouve des objets et des armes remontant à 5000av JC, mais d’une manière générale, les civilisations de l’humanité ont développe son utilisation vers 3500 av JC, le fer n’apparaissant que plus tard vers 1800av JC. Actuellement, le cuivre est avec l’aluminium, au second rang après les métaux ferreux en importance économique et industrielle. Le cuivre n’est plus présent à l’état natif. Il est exploite à partir de minerai sulfures (80% de la production mondiale) ou de minerai oxydé. Le type de minerai définit le processus à suivre pour l’obtention du cuivre pur : La teneur en cuivre des minerais sont exploités peut être faible, inferieure à 1%. Ils sont exploites à ciel ouvert ou galeries souterraines et sont concentrés sur place. Il se trouve à l’état natif comme l’or et l’argent.

Métal coloré rouge et de masse volumique de 8900 kg/3m .

Il atteint son point de fusion à 1083°C. Son coefficient de dilatation linéaire est de : - 1698 microns par m et par °C. Sa conductibilité thermique est de : - 330 kcal /mm/°C La teneur en cuivre des minerais est toujours très faible : de 1% à 15%.

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METALLURGIE DU CUIVRE Les minerais : On trouve le cuivre sous différentes formes :

• 5 % à l'état natif

• 15 % sous forme de minerais oxydés, malachite, azurite.

• 80 % sous forme de minerais sulfurés (chalcopyrite - le plus répandu -, chalcocite.

Les minerais oxydés donnent lieu à un traitement par voie chimique : le procède de lixiviation. Nous décrivons ci-après la production des concentres par le procèdes de flottation qui ne concerne que les minerais sulfures.

La première étape consiste en des Operations successives de broyage, concassage, tamisage et triage pour obtenir une poudre de minerai.

Cette poudre est mise en cuve pour un traitement de flottaison dans l’eau puis décantation. Cela consiste à faire remonter à la surface la partie la plus riche du minerai pour le séparer des boues qui restent au fond du bain. On obtient un concentré contenant 25 à 40% de cuivre.

On porte ce concentré à haute température pour séparer à l’état liquide les sels de cuivre des autres constituants contenus de la matte. On produit alors des blisters contenant 98% à 99.5% de cuivre sous forme de plaque. La pureté recherchée est de 99.9%. On doit donc affiner les blisters.

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Il existe deux procédés : L’affinage thermique : On refond le blister en l’oxydant pour élimer les impuretés sous forme d’oxyde qui se volatilisent. Au cours du traitement, le cuivre se charge de 0.6 à 0.9% d’oxygène qu’il faut éliminer par induction de troncs de bois vert dans le bain de cuivre. Le cuivre contient alors 0.02 à 0.04% d’oxygène et un peu d’hydrogène. L’affinage électrolytique : On coule le blister sous forme d’anode. On le transforme l’anode en cathode par le procède de l’anode soluble. Le cuivre obtenu est pur mais pas encore utilisable en l’état du fait de sa porosité et de la présence possible d’inclusions d’électrolyte Pour avoir à la fois le cuivre pur à 99.9% et les meilleures caractéristiques de plasticité, on refond ultérieurement les cathodes suivant plusieurs procèdes qui permet d’obtenir les différentes qualités de cuivre utilisées dans l’industrie. Traitement du minerai, obtention de la matte Traitement mécanique :

Le minerai subit les opérations mécaniques classiques de tamisage, concassage, broyage

et enrichissement par flottation, ce qui conduit à un minerai enrichi à teneur en cuivre allant de 15 à 30 % minerai est quelquefois grillé pour éliminer une partie du soufre et quelques éléments comme As, Bi, ou Sb. Fusion pour matte

Le minerai enrichi introduit dans un four à réverbère, chauffé à 1 100° C en atmosphère oxydante, pour former une scorie liquide : Deux couches liquides sont obtenues : la couche supérieure est la scorie, la couche inférieure la matte d'aspect métallique ayant une teneur en cuivre de 35 à 55 %. Obtention du métal Convertissage de la matte :

La matte liquide subit en présence de silice une oxydation par un courant d'air sous pression. Le convertissage a lieu en deux phases :

• 1" phase : Oxydation de Fe

• 2ème phase : Oxydation de Cu

Le caractère exothermique de ces réactions permet de porter le métal liquide à 1250° C. Ce métal appelé cuivre blister contient 1 % d'impuretés. Il n'est pas utilisable, et doit être affiné.

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Affinage du cuivre blister

Bien qu'il existe un affinage thermique qui réalise une oxydation à l'air des impuretés (Fe, Zn...) et une réduction du cuivre oxydé par perchage (introduction de bois vert dégageant des gaz réducteurs), 90 %. du cuivre produit est affiné par électrolyse.

Le cuivre blister est refondu, traité à l'oxygène sous pression pour éliminer certaines impuretés (Zn, Sn, Fe, S), et coulé sous forme d’anodes. Ces anodes sont immergées dans des cuves contenant une solution de sulfate de cuivre. Le cuivre pur se dépose sur une cathode constituée au départ par une tôle mince de cuivre pur. Les impuretés Fe, Bi, Pb, Sb, As forment des boues qui se déposent au fond du bain. (Certaines de ces impuretés seront extraites.)

L'électrolyse est réalisée sous une tension de 0,2 à 0,4 volts avec des densités de courant de 175 A/dm2.

Les cathodes sont refondues et coulées sous des formes commerciales (barres, lingots, billettes), à l’air ou sous atmosphère inerte. Le titre minimal du cuivre électrolytique est de 99,9 % en Cu et 0,03 % en O2.

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LES ALLIAGES DU CUIVRE

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VII ) Le titane & ses alliages

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VIII ) Résumé désignation

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cours matériaux ferreux / non matériauxf-c- bts...

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