Autres alliages de métaux non ferreux
Bien que la science des matériaux fasse le plus souvent référence aux aciers et aux alliages d’aluminium et de cuivre, de nombreuses applications techniques clés reposent également sur des alliages de métaux non ferreux plus spécialisés. Ces alliages permettent de concevoir des joints à friction à usure contrôlée, ou bien de créer des joints soudés étanches et durables, ou encore de construire des éléments de sécurité qui fonctionnent par fusion et de bénéficier d’une résistance à la corrosion élevée, ou bien un rapport résistance/poids exceptionnellement favorable. Cette étude traite des six groupes de matériaux suivants…
Les alliages pour roulements, les alliages de soudure, les alliages à bas point de fusion, le zinc et ses alliages, le titane et ses alliages, et les alliages de métaux précieux. Les détails montrent comment le choix de la composition et de la microstructure se traduit en exigences opérationnelles spécifiques, c’est-à-dire de la lubrification et du « rodage » à la résistance chimique et à la conservation des propriétés à des températures élevées.
Cet article s’inspire du manuel « Metaloznawstwo » du Professeur Stanisław Rudnik. Le contenu suivant n’est qu’un aperçu général du sujet. Pour ceux qui s’intéressent à ce thème, nous recommandons vivement d’approfondir la question en consultant la littérature spécialisée.
Alliages pour roulements
Les alliages pour roulements sont utilisés pour fabriquer les coussinets des roulements à glissement, où la surface du coussinet interagit directement avec le tourillon de l’arbre. Le matériau du coussinet doit donc garantir un faible coefficient de frottement, réduire l’usure des deux surfaces en contact et, parallèlement à cela, résister à des pressions unitaires élevées. Il est très important que le coussinet soit moins dur que le tourillon, afin que, si dommage il y a, celui-ci se produise sur l’élément le plus aisé à remplacer et non sur l’arbre. La résistance au frottement est également importante. En effet, la coquille de palier doit être suffisamment plastique pour s’adapter aux micro-irrégularités du tourillon, mais elle ne doit pas être trop « molle » ni souple, afin de ne pas adhérer, dans la température de fonctionnement, à la surface du tourillon.
Dans la pratique, ces exigences sont complétées par des propriétés technologiques et opérationnelles. Ainsi, l’alliage doit être facilement travaillé, avec une bonne aptitude à la coulée (pour faciliter le moulage des cuvettes), mais son point de fusion ne doit pas être trop bas, afin que la cuvette ne se « ramollisse » pas lorsqu’elle se trouve chauffée durant le fonctionnement. D’autres facteurs importants sont la bonne adhérence de l’alliage au matériau de la coquille de palier, la conductivité thermique adéquate (dissipation de la chaleur du frottement), la résistance à la corrosion et le coût le plus bas possible.
Les meilleures propriétés sont proposées par un alliage dont la structure comprend des inclusions dures de taille et de quantité appropriées, réparties uniformément dans une matrice relativement souple et ductile. La matrice souple facilite l’adaptation à la forme du tourillon sans abrasion intense, tandis que les composants durs réduisent la tendance de la matrice à adhérer et favorisent la formation d’espaces dans lesquels une fine couche d’huile lubrifiante peut rester. Le nœud de friction fonctionne alors de manière nettement plus stable et les conditions de lubrification sont plus aisées à « maintenir », même en cas de surcharges temporaires.
Le matériau le moins onéreux pour les paliers est souvent la fonte perlite grise. Elle peut supporter des hautes pressions unitaires, mais en raison de son abrasion relativement élevée, elle ne convient pas aux moteurs à grande vitesse. La présence de graphite présente ici un effet bénéfique, celui-ci, broyé et mélangé à de la graisse, forme une fine couche à la surface, ce qui réduit l’abrasion. Cependant, dans les applications nécessitant de meilleurs paramètres, sont le plus souvent utilisés des alliages « mous » et de bonne coulabilité, à base d’étain ou de plomb.
Le meilleur groupe d’alliages pour roulements est celui des alliages étain-antimoine-cuivre, connus sous le nom de babbitt, (du nom de son inventeur, Isaac Babbitt), nommé régule en français. Le cuivre et l’antimoine augmentent la résistance de ces alliages avec une légère réduction de la plasticité, il est donc primordial de les équilibrer. Pour une teneur en cuivre couramment comprise entre 3 et 6 %, la résistance maximale est atteinte à environ 9-10 % de Sb, et les compositions ne dépassant pas 10-12 % de Sb et 6-7 % de Cu sont considérées comme particulièrement favorables. Ce groupe comprend, entre autres, SnSb8Cu3 et SnSb11Cu6. La matrice est une solution d’antimoine et de cuivre dans l’étain, souple et ductile, bien que plus dure que l’étain pur. C’est sur ce fond, que nous trouvons des cristaux cubiques du composé SnSb et des cristaux Cu6Sn5 en forme d’étoiles et d’aiguilles. Les phases dures agissent comme des « supports » de charge et stabilisent les conditions de frottement, mais les régules sont coûteux, ils sont donc principalement utilisés dans les roulements fonctionnant sous des charges et des vitesses élevées.
Une alternative moins coûteuse est constituée par les alliages étain-plomb-antimoine, dans lesquels une partie de l’étain est remplacée par du plomb. La matrice souple de ces alliages est un eutectique triple à forte teneur en plomb, et la structure contient toujours des cristaux cubiques de SnSb. Dans la pratique, est souvent ajouté du cuivre de manière à réduire la ségrégation résultant des différences de densité des composants. C’est ainsi que le cuivre forme alors des composés Cu2Sb durs, en forme d’aiguilles. Un exemple est l’alliage PbSn16Sb16Cu2, qui est moins élevé en prix que le babbitt, mais qui fonctionne généralement dans des conditions moins exigeantes (charges et vitesses plus faibles).
Le troisième groupe est constitué d’alliages de plomb avec des métaux alcalins, tels que le calcium, le baryum ou le strontium. Ces éléments forment des composés durs avec le plomb (par exemple, Pb3Ca, Pb3Ba) répartis dans une matrice « molle » de plomb presque pur ; une petite quantité de sodium est parfois ajoutée de manière à augmenter la dureté. L’avantage est un faible coût et une bonne qualité, ce qui favorise une large utilisation, en particulier dans les chemins de fer. Les limites comprennent une faible résistance à la corrosion atmosphérique et la combustion des éléments d’alliage lors de la refonte. Dans les roulements fonctionnant dans des conditions particulièrement difficiles (pressions et vitesses élevées), sont alors également utilisés des bronzes à l’étain ou au plomb.
Alliages de soudure
La soudure est le processus qui consiste à assembler des métaux à l’aide d’un métal supplémentaire, qui est fondu, qui s’écoule et comble l’espace entre les parties à joindre. Le point de fusion de la soudure doit être inférieur à celui des métaux à assembler, afin de ne pas les faire fondre. Une bonne soudure doit bien « mouiller » les surfaces soudées, dans une mesure limitée se dissoudre dans les métaux assemblés, présenter une bonne fluidité à l’état liquide et son intervalle de solidification ne doit pas être trop large, car cela rendrait difficile l’obtention d’un joint homogène et étanche.
En raison des points de fusion, il existe des soudures tendres (jusqu’à 450 °C) et des soudures dures (au-dessus de 450 °C). Les soudures tendres ont une dureté faible ainsi qu’une faible résistance à la traction (environ 50-70 MPa), mais elles sont ductiles, ce qui leur confère une bonne étanchéité, même si elles ne sont généralement pas conçues pour supporter de lourdes charges. Les plus courantes sont les soudures étain-plomb, dont la composition eutectique de 61,9 % de Sn et le point de fusion de 183 °C constituent des références importantes.
La soudure étain-plomb est couverte par la norme PN-76/M-69400, tandis que les soudures individuelles sont marquées des lettres LC et d’un chiffre correspondant à la teneur moyenne en étain, exprimée en pourcentage. Les variantes avec ajout d’antimoine ont la lettre « A » à la fin de la désignation, par exemple LC30A contient environ 30 % de Sn, 68 % de Pb et 2 % de Sb. La soudure LC60 (60 % de Sn et 40 % de Pb) a une composition proche de l’eutectique, elle est donc la plus facile à fondre et a une plage de solidification très étroite d’environ 7 °C. À mesure que la teneur en plomb augmente, la plage de solidification s’élargit. C’est ainsi que dans un liant contenant 20 % de Sn et 80 % de Pb, elle peut dépasser 100 °C, ce qui favorise la formation de pores et nuit à l’étanchéité et à la résistance du joint. À température ambiante, la dureté et la résistance des alliages Sn-Pb augmentent avec la teneur en étain, et les valeurs les plus élevées sont généralement obtenues avec des alliages contenant 50 à 80 % de Sn. En revanche, les alliages à très faible teneur en étain (5 à 10 %) sont moins rares, mais ils ont des propriétés moins bonnes.
Les soudures dures ne peuvent fonctionner qu’à des températures de fusion beaucoup plus élevées (de 400 °C à 2 000 °C environ) et sont utilisées lorsque le joint doit présenter une résistance élevée. La résistance des joints réalisés avec des soudures dures peut être comprise entre 200 et 700 MPa. Dans la pratique, il existe trois groupes principaux qui sont…
les soudures à base de cuivre, les soudures à base d’argent et les soudures spéciales.
Le cuivre possède de bonnes propriétés de soudage et il est utilisé pour assembler l’acier, la fonte et les alliages de cuivre, mais son point de fusion élevé nécessite un soudage à des températures de 1 100 à 1 200 °C, ce qui augmente la consommation d’énergie et peut altérer les propriétés des composants soudés, en raison de changements structurels durant le chauffage. C’est pourquoi, outre le cuivre pur, ses alliages sont largement utilisés. Les alliages d’argent (couverts, entre autres, par la norme PN-80/M-69411) sont fréquents dans le domaine de l’électrotechnique, entre autres, et les plus significatifs sont les alliages Ag-Cu-Zn qui présentent de bonnes propriétés mécaniques alliées à une bonne résistance à la corrosion, permettant l’assemblage de l’acier, des alliages de cuivre, des métaux précieux et des carbures frittés. Les soudures spéciales comprennent, entre autres, les soudures à base d’or et de platine (par exemple en bijouterie et en dentisterie), les soudures à base d’aluminium (assemblage d’alliages légers) ainsi que les soudures à base de magnésium (assemblage d’alliages de magnésium).
Alliages à bas point de fusion
Les alliages à bas point de fusion (bonne aptitude à la coulée) sont des alliages dont le point de fusion est inférieur à celui de l’étain, c’est-à-dire inférieur à 232 °C. Ils sont donc composés de métaux à bas point de fusion, principalement du plomb, de l’étain et du bismuth, ainsi que, en plus petites quantités, du cadmium, de l’antimoine, du zinc, de l’indium et d’autres additifs. La composition est choisie de manière à former des eutectiques ayant le point de fusion le plus bas possible, ce qui permet de « régler » avec précision le point de fusion de l’élément ayant la bonne aptitude à la coulée.
Le système Sn-Pb-Cd-Bi-In, dans lequel l’alliage eutectique peut avoir un point de fusion d’environ 47 °C, illustre bien l’effet de la réaction multicomposants. Dans la pratique, les alliages à bas point de fusion utilisés dans notre pays sont répertoriés dans la norme PN-71/H-87203. Parmi les alliages répertoriés dans cette norme, l’un des points de fusion les plus bas (environ 70 °C) est celui de l’alliage BiPb25Sn12Cd12, connu sous le nom d’alliage de Wood, avec une composition de 25 % de Pb, 12 % de Sn, 12 % de Cd et 51 % de Bi.
Les applications découlent directement de la fonction. En effet, les alliages à bas point de fusion sont utilisés pour des fusibles et des inserts de sécurité, des composants de systèmes d’alarme et d’incendie, dans le moulage de précision, ainsi que dans l’industrie des équipements médicaux et orthopédiques, pour lesquels les basses températures de traitement sont souvent décisives pour la sécurité et la précision.
Le zinc et ses alliages
Le zinc est un métal bleu-blanc dont la densité est d’environ 70 kN/m³. Il a un point de fusion (419,4 °C) et un point d’ébullition (907 °C) bas. Sa résistance à la traction est modérée (Rm environ 150 MPa) avec un allongement élevé (A10 environ 50 %), mais à température ambiante, le zinc est cassant. Ce n’est que lorsqu’il est chauffé à plus de 100-150 °C qu’il devient malléable et peut être laminé en feuilles minces et étiré en fil.
Le zinc résiste aux atmosphères sèches, mais en présence de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone, il se recouvre d’une couche blanche de carbonate de zinc alcalin, qui agit en couche protectrice et qui limite la corrosion. Le zinc se dissout dans les acides dilués et dans les alcalis. La principale utilisation industrielle du zinc est la protection de l’acier. Les revêtements de zinc, qui se nomment galvanisation, sont avantageux car, même en cas de fuites locales, le zinc agit comme une anode protectrice. Étant donné que son potentiel électrochimique est inférieur à celui du fer, le zinc se dissout et l’acier est ainsi protégé de la corrosion.
Le zinc est également utilisé comme matériau pour des produits semi-finis (par exemple dans la construction) et il est un important composant de nombreux autres alliages métalliques. Il en existe quelques-uns, dans lesquels le zinc est le composant principal, les plus importants étant les alliages de zinc avec l’aluminium, le cuivre et le magnésium, connus sous le nom de « Znale ». Ils sont divisés en alliages de moulage et en alliages corroyés.
En plus du zinc, ils contiennent généralement jusqu’à 30 % d’aluminium, jusqu’à 6 % de Cu et de petites quantités de Mg. Les différences entre les variétés résultent de leur utilisation prévue et de leur technologie de fabrication.Les alliages corroyés atteignent une résistance plus élevée (environ 280-320 MPa) avec une meilleure plasticité (A5 environ 5 %). Les alliages de moulage ont une résistance de 150-300 MPa, mais une très faible plasticité (A5 environ 1 %), ce qui est typique des pièces moulées, en particulier de celles qui le sont sous pression. Malgré leur plasticité limitée, les alliages de zinc moulés sont largement utilisés dans l’industrie mécanique (carrosseries, châssis, capots), l’industrie automobile (carburateurs, leviers, poignées de porte) et l’industrie électrique (boîtiers d’appareils). Les alliages plastiquement malléables peuvent remplacer les alliages de cuivre, plus coûteux, lorsque l’économie et la simplicité de la technologie sont importantes.
Le titane et ses alliages
Le titane est l’un des éléments les plus abondants à trouver dans la croûte terrestre, mais sa production industrielle à grande échelle ne s’est développée qu’à partir de 1948. C’est un métal blanc argenté, ressemblant à de l’acier inoxydable, avec un faible poids spécifique d’environ 44,1 kN/m³, soit près de la moitié de celui du fer ! C’est pour cette raison que son rapport résistance/densité est particulièrement avantageux, ce qui se traduit par des applications pour lesquelles chaque kilogramme compte.
Le titane se présente sous deux formes allotropiques…
Tiα (stable à basse température, réseau hexagonal compact) et Tiβ (stable à température plus élevée, réseau régulier centré spatialement).
La température de transition allotropique est de 882 °C. Ce matériau se caractérise par une très haute résistance à la corrosion, comparable à celle des aciers austénitiques au chrome-nickel. À des températures allant jusqu’à environ 500 °C, le titane n’est pratiquement pas affecté par l’air. En effet, ce n’est qu’à des températures plus élevées qu’une fine couche d’oxyde et de nitrures, bien adhérente, se forme à sa surface, ce qui protège le métal des effets de l’oxygène et de l’azote, tant que la température ne dépasse pas environ 560 °C. Au-delà de cette plage, l’activité chimique du titane augmente considérablement.
Les propriétés mécaniques du titane dépendent fortement de sa pureté. Le titane très pur est extrêmement ductile et présente des paramètres similaires à ceux du fer pur. Retenons ici… Rm environ 250-300 MPa, R0,2 environ 100-150 MPa, A10 environ 50 % et Z environ 70 %.
Les additifs augmentent la résistance au détriment de la plasticité, c’est pourquoi, dans la pratique technique, la pureté et la classe d’alliage sont choisies en fonction des exigences. En raison de leur résistance à la corrosion et de leur rapport résistance/poids élevé, le titane et ses alliages sont utilisés dans les véhicules, les avions, la construction navale et les équipements chimiques, bien que leur prix élevé reste parfois un obstacle.
Dans les alliages de titane à base des deux variétés allotropiques, il existe des solutions solides de α et β. Comme la phase β est stable à haute température et la phase α à basse température, un traitement thermique basé sur les transformations de phase devient possible. Le mécanisme de la transformation β→α dépend de la température. À des températures plus élevées, il est diffusif et conduit à une structure granulaire, tandis qu’en cas de surfusion importante, en raison de la faible mobilité des atomes, une transformation martensitique non diffusive peut se produire, donnant alors lieu à une structure aciculaire (martensitique) souvent appelée α’.
Dans la pratique, les alliages de titane utilisés sont divisés en alliages monophasés α, monophasés β et biphasés α+β. Les alliages α comprennent, entre autres, les alliages de titane avec de l’aluminium, qui est le seul additif stabilisant la phase α. Effectivement, l’aluminium augmente la résistance et, en raison de sa faible densité, il a un effet positif sur le poids spécifique de l’alliage. Les alliages β sont relativement moins courants, tandis que les plus importants sont les alliages biphasés α+β, contenant des additifs qui stabilisent la phase β, tels que le vanadium, le molybdène, l’étain, le fer, le chrome ou le magnésium. Ils sont généralement plus résistants que les alliages monophasés, facilement malléables et sensibles au traitement thermique. Leur Rm typique est d’environ 900-1200 MPa, et dans la plage de température allant jusqu’à 500 °C, leur résistance par unité de densité est parfois plus favorable que celle de l’acier.
Bien que la transformation martensitique suggère la possibilité d’un durcissement classique, dans la pratique, elle n’est pas couramment utilisée, car son effet sur les propriétés mécaniques est parfois négligeable. Pour les alliages biphasés α+β, le traitement thermique implique généralement une sursaturation et un vieillissement. Cette sursaturation consiste à chauffer à une température à laquelle la phase β est stable, puis à refroidir rapidement de manière à conserver cette structure. Durant le vieillissement, la phase β se décompose partiellement en un mélange α+β, ce qui permet de modeler la résistance et la plasticité.
Alliages de métaux précieux
Les métaux précieux comprennent l’or, l’argent et le platine, ainsi que leurs alliages. Ils se distinguent par leur très haute résistance à la corrosion dans les conditions atmosphériques, dans l’eau et dans de nombreux environnements chimiques. En même temps, ces métaux ont une résistance relativement faible et de très bonnes propriétés plastiques, c’est pourquoi, dans les applications exposées à l’abrasion et à la déformation (par exemple, les bijoux, les éléments dentaires), ils sont le plus souvent utilisés sous forme d’alliages plutôt que sous forme de métaux purs techniquement.
Les données mécaniques des métaux purs montrent leur spécificité :
– l’or a une résistance à la traction (Rm) d’environ 130 MPa, une limite d’élasticité d’environ 50 MPa et une dureté d’environ 20 HB avec une réduction d’environ 95 % et un allongement d’environ 55 %,
– l’argent a une Rm d’environ 160 MPa et une dureté d’environ 25 HB, avec une plasticité très élevée (Z environ 95 %, A10 environ 60 %),
– le platine atteint une Rm d’environ 150 MPa et une dureté d’environ 50 HB, également avec une plasticité élevée (Z environ 90 %, A10 environ 50 %).
L’or résiste à la plupart des acides et des bases, c’est pourquoi il est utilisé, entre autres, pour la dorure chimique et galvanique, dans les équipements de laboratoire et dans les alliages utilisés en électronique. L’argent est particulièrement résistant aux bases fortes, mais il est peu soluble dans les acides organiques. En raison de sa très bonne conductivité électrique, il est utilisé dans les fils et dans les composants électriques, ainsi que pour l’argenture. Le platine est très résistant chimiquement, bien qu’il se dissolve dans l’eau régale chaude. Dans l’industrie chimique, il est utilisé à la fois pour sa résistance à la corrosion et ses propriétés catalytiques, ainsi que pour la fabrication d’équipements de laboratoire (mailles, creusets, évaporateurs).
L’or et l’argent sont principalement utilisés en joaillerie et en dentisterie sous forme d’alliages, car à l’état pur, ils sont trop mous. Le cuivre et l’argent sont donc d’importants additifs dans les alliages d’or. La fusion de l’or avec l’argent n’augmente pas significativement sa dureté, en revanche, l’ajout de cuivre augmente la dureté de manière plus notable, mais au prix d’une certaine diminution de la résistance à la corrosion. C’est pourquoi sont fréquemment utilisés des alliages triples Au-Ag-Cu, qui équilibrent la couleur, la dureté et la résistance chimique. En Pologne, la finesse de l’or légalement établie correspond à une teneur en Au de 96 %, 75 % et 58,3 %. Historiquement, cela correspondait respectivement à 23, 18 et 14 carats, en sachant que l’or pur est à 24 carats). Les alliages de troisième finesse ont la dureté et la résistance à l’abrasion les plus élevées, mais ils ont également une couleur nettement rougeâtre en raison de leur teneur élevée en cuivre.
Les principaux composants des alliages d’argent sont le cuivre et le zinc, et les titres légaux sont de 94 %, 87,5 % et 80 % d’argent. Le titre le plus élevé n’est généralement pas utilisé en raison de sa dureté insuffisante, tandis que le second et le troisième titre sont utilisés dans les produits artistiques, la vaisselle et les accessoires. D’un point de vue technique, il est également important d’utiliser des alliages d’argent en tant que brasures dures, pour lesquelles ils combinent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la corrosion, avec une bonne mouillabilité. Le platine et ses alliages sont principalement utilisés dans l’industrie. C’est ainsi que les alliages Pt-Ir d’une dureté d’environ 265 HB à 40 % d’iridium (utilisés en électrotechnique, en électrochimie, en médecine et en joaillerie) revêtent une importance particulière, tandis que les alliages de platine avec du rhodium sont utilisés comme catalyseurs et sous forme de fils, pour la fabrication de thermocouples.
Autres alliages de métaux non ferreux – Résumé
Les groupes d’alliages présentés montrent que, dans l’ingénierie, il ne s’agit guère de la résistance « maximale » d’un matériau, mais plutôt d’un ensemble de propriétés sélectionnées avec précision. Les alliages pour roulements sont conçus pour offrir des propriétés particulières de frottement, de lubrification et de rodage, c’est pourquoi la structure des inclusions dures dans une matrice molle est fondamentale.
Les alliages de soudure sont sélectionnés pour contrôler le mouillage et la solidification du joint. Les soudures tendres assurent l’étanchéité, tandis que les soudures dures permettent la construction de joints à haute résistance.
Les alliages à bas point de fusion utilisent leur faible point de fusion comme caractéristique fonctionnelle dans les composants de sécurité et la technologie de précision.
Le zinc et ses alliages combinent le rôle d’un matériau structurel avec la fonction extrêmement importante de protection de l’acier contre la corrosion et la possibilité d’une production peu coûteuse de pièces moulées sous pression.
Le titane et ses alliages offrent une haute résistance à la corrosion et un excellent rapport poids/résistance, en particulier dans les variétés α+β traitées thermiquement.
D’autre part, les métaux précieux et leurs alliages sont irremplaçables lorsque la résistance chimique, la conductivité ou la dureté contrôlée sont déterminantes, tout en conservant une plasticité élevée.
Vous trouverez ci-dessous un aperçu transversal des métaux non ferreux et de leurs alliages – propriétés et applications (document en anglais).
