Le magnésium et ses alliages
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Le magnésium est un métal gris argenté qui, d’un point de vue technique, présente l’avantage d’avoir le poids spécifique le plus faible de tous les métaux couramment utilisés dans le domaine technologique, soit environ 17,1 kN/m³. C’est pourquoi les alliages à base de magnésium sont appelés alliages ultralégers, car ils permettent de construire des structures de faible poids. Par ailleurs, le magnésium ne présente aucune forme allotropique, il n’offre donc pas autant de transformations structurelles que le fer. Ainsi, ses propriétés sont principalement déterminées par la composition de l’alliage, l’état de coulée ou de traitement, ainsi que tout éventuel traitement thermique.
Cependant, le magnésium pur présente des limites mécaniques évidentes. À l’état moulé, ses propriétés sont relativement faibles, notamment Rm environ 80-120 MPa, Re environ 20 MPa, A5 environ 4-6 % et dureté environ 30 HB. Cela signifie qu’en tant que matériau de structure « à lui seul », il est trop faible et pas suffisamment ductile pour rivaliser avec les alliages d’aluminium ou avec les aciers classiques. De plus, à température ambiante, le magnésium est cassant et il ne peut être traité plastiquement qu’à des températures supérieures à environ 220 °C, ce qui influe à la fois sur le choix de la technologie de fabrication et sur les coûts. C’est pourquoi, dans la pratique, le magnésium sous forme d’alliages, plutôt que sous forme de métal pur, revêt une importance primordiale.
Activité chimique, corrosion et sécurité
Le magnésium est un métal très actif chimiquement, ce qui a des implications opérationnelles directes. Il se dissout facilement dans de nombreux acides inorganiques, mais se comporte de manière plus neutre dans les alcalis. Lorsqu’il est exposé à l’air, il se recouvre d’une fine couche d’oxyde, ce qui lui donne un aspect moins esthétique, qui, en revanche, peut agir comme une couche protectrice, à condition qu’il n’y ait pas de sels de chlore dans l’atmosphère. En présence de chlorures, par exemple, près des mers et des océans, des chlorures solubles de magnésium se forment, qui ne constituent pas une barrière étanche et exposent constamment le métal frais, permettant à la corrosion de pénétrer facilement en profondeur dans le métal. C’est l’une des raisons pour lesquelles le choix de l’alliage de magnésium et la protection éventuelle de la surface sont primordiaux dans les environnements « salés ».
Une autre question importante concerne la réaction du magnésium avec l’eau à des températures élevées. L’eau chauffée à environ 100 °C, en présence de magnésium, peut se décomposer, entraînant l’oxydation de celui-ci. À des températures plus élevées, le processus peut être violent, car l’hydrogène libéré peut brûler de manière explosive. Pour cette raison, il est clairement et totalement inacceptable d’éteindre du magnésium en feu avec de l’eau.
L’inflammabilité du magnésium dépend fortement de sa forme. Les éléments de grande taille, les produits finis, les déchets ou les feuilles sont pratiquement ininflammables dans des conditions normales. Pour s’enflammer, ils doivent d’abord être partiellement fondus.
Cependant, le magnésium sous forme de sciure, de copeaux, de bandes ou de poudre peut s’enflammer facilement, car de telles petites particules chauffent et fondent rapidement. Une fois enflammés, les copeaux peuvent brûler jusqu’à ce que le matériau soit complètement consumé et l’humidité peut accélérer le caractère explosif de la combustion. Cet aspect n’est en rien une « curiosité », mais une exigence pratique de sécurité dans l’usinage et le stockage des déchets de production.
Applications du magnésium pur et importance de l’alliage
L’application du magnésium pur est limitée, mais non nulle. En raison de sa chaleur de combustion élevée et de sa flamme brillante, il est parfois utilisé dans la production de lumière artificielle, dans les matériaux d’allumage et autres explosifs, dans la réduction thermotechnique et comme désoxydant dans la métallurgie de nombreux métaux. Parallèlement, le magnésium revêt une importance industrielle majeure en tant que matrice pour les alliages, car seuls les additifs d’alliage présentent les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion, toutes deux utiles dans la construction.
Les qualités de magnésium métallurgique qui sont conformes à la norme (par exemple, Mg 99,95 et Mg 99,9) permet les utilisations typiques, ce qui montre que la pureté du magnésium est choisie en fonction de son utilisation dans des applications chimiques et des alliages spéciaux ou dans la production d’alliages de magnésium standard. Dans la pratique, c’est l’alliage qui « transfère » le magnésium des applications de niche vers les applications structurelles classiques pour lesquelles le poids est un paramètre clé.
Les principaux systèmes d’alliages de magnésium
Trois additifs sont d’une importance fondamentale dans les alliages de magnésium et sont l’aluminium, le zinc et le manganèse. L’aluminium améliore considérablement les propriétés mécaniques des alliages de magnésium. Le matériau montre que la résistance maximale est obtenue avec un alliage contenant environ 5 % d’Al, et l’allongement maximal avec un alliage contenant environ 6 % d’Al. Le zinc agit de manière similaire à l’aluminium et les meilleures propriétés attendues le sont avec un alliage contenant environ 5 % de Zn. Ces valeurs sont importantes, car elles suggèrent qu’il existe un certain niveau « optimal » d’additif, au-delà duquel les avantages proportionnels ne sont plus atteints.
Le manganèse joue un rôle particulier dans les alliages de magnésium, car il améliore les propriétés mécaniques, et augmente la résistance à la corrosion. Dans la pratique, cela signifie que le manganèse est parfois un additif « stratégique » pour tous les alliages destinés à être utilisés dans des environnements plus difficiles ou dans des conditions où la protection de surface est limitée. C’est donc la combinaison Mg-Al-Zn (souvent avec du Mn) qui forme la famille la plus importante d’alliages de magnésium, connue sous le nom d’« électrons », largement utilisée lorsque la réduction du poids compte.
Une caractéristique majeure de ces additifs est que leur solubilité dans le magnésium diminue avec la baisse de température, ce qui ouvre la voie à un durcissement par précipitation, nommé dispersion. Cette propriété est à la base du traitement thermique des alliages de magnésium, bien que, comme le souligne le matériau, les effets du traitement thermique soient généralement moins spectaculaires que dans les alliages d’aluminium, de sorte que le choix de la composition et de la technologie de fabrication est souvent plus important que le traitement thermique « pour le plaisir ».
Traitement thermique des alliages de magnésium
Étant donné que la solubilité des additifs d’alliage dans le magnésium diminue avec la baisse de température, le schéma classique de durcissement par dispersion peut être utilisé. Tout d’abord, un état sursaturé est créé, puis une précipitation contrôlée est induite durant le vieillissement. Le matériau décrit directement ce processus de cette manière…
L’alliage est recuit à une température d’environ 345 –420 °C pendant 16 à 20 heures, puis refroidi à l’air pour avoir une sursaturation en éléments d’alliage, suivi d’un vieillissement à 150–200 °C pendant environ 12 heures, ce qui augmente les propriétés de résistance avec une légère diminution de l’allongement.
Cependant, il est important de bien comprendre la signification pratique de cette description. Premièrement, la longue durée de recuit suggère qu’il est essentiel d’égaliser la composition et de préparer la matrice pour la précipitation ultérieure, plutôt que de simplement « la chauffer ». Deuxièmement, le vieillissement est contrôlé, car maximiser la dureté n’est pas l’objectif, qui est de bénéficier d’un compromis stable entre les propriétés. Troisièmement, le matériau indique clairement que, bien que ce traitement fonctionne, il n’apporte pas autant d’amélioration des propriétés que dans les alliages d’aluminium. C’est pourquoi il est moins important dans les alliages de magnésium et il est souvent utilisé de manière sélective, principalement lorsqu’il est important de « tirer » une marge de résistance supplémentaire tout en conservant un faible poids.
Un bon exemple de l’effet du traitement thermique est l’alliage MgAl10ZnMn, pour lequel le matériau spécifie des propriétés dans ses différents états.
À l’état brut, il atteint environ Rm 150 MPa, A5 environ 1 %, et HB environ 50. Après homogénéisation, il atteint environ Rm 210 MPa, A5 environ 3 %, et HB environ 60. Après durcissement par dispersion, environ Rm 210 MPa, A5 d’environ 1 %, et HB d’environ 65.
Cet ensemble de chiffres montre bien une caractéristique typique de certains alliages de magnésium, prouvant qu’il est possible d’augmenter considérablement la résistance par rapport à l’état brut, mais cela se fait souvent au détriment de la plasticité et le « gain » en dureté n’est pas toujours suffisant pour justifier un traitement thermique dans toutes les applications.
Alliages de fonderie et alliages corroyés
Les alliages de magnésium sont classés, à l’instar des alliages d’aluminium, en fonction de leur technologie de fabrication en alliages de fonderie et alliages corroyés. Les deux groupes peuvent être utilisés sans traitement thermique ou après traitement thermique, mais leurs avantages « naturels » sont bien différents. Les alliages de moulage facilitent la formation de géométries complexes, tandis que les alliages corroyés sont conçus pour présenter une meilleure combinaison de résistance et de plasticité après déformation à chaud.
La désignation des alliages de magnésium repose sur les principes généraux de marquage des alliages de métaux non ferreux. Prenons ici l’exemple d’un alliage marqué MgAl3ZnMn qui contient, outre du magnésium, environ 3 % d’aluminium, environ 1 % de zinc et environ 0,3 % de manganèse. Cette notation est pratique, car elle vous permet de reconnaître rapidement si vous avez affaire à la famille Mg-Al-Zn-Mn, c’est-à-dire aux « électrons » et quel niveau de propriétés et de sensibilité au traitement thermique vous pouvez attendre.
Les alliages de moulage au magnésium contiennent généralement de l’aluminium, du zinc et du manganèse et le matériau indique qu’avec une teneur supérieure à 6 % d’Al, ils peuvent être durcis par dispersion. D’autre part, les alliages corroyés sont généralement des alliages à plusieurs composants contenant de l’Al, du Zn et du Mn, avec une teneur en aluminium inférieure à celle des alliages de moulage, jusqu’à un maximum d’environ 9 %. Elles sont traitées à des températures élevées, par pressage dans une plage d’environ 250-420 °C ou par laminage dans une plage d’environ 280-350 °C. Mais surtout, le matériau ainsi que les outils sont chauffés afin de réduire le risque de fissuration pendant la déformation. Le matériau souligne également que ces alliages ont une bonne usinabilité, ce qui est majeur dans la production de composants à parois minces et de précision.
Pour les alliages plastiquement malléables, les plages de propriétés typiques sont les suivantes : Rm environ 200-320 MPa, A5 environ 12-23 %, et HB environ 40-55, ces propriétés restant pratiquement inchangées jusqu’à environ 100 °C. Cet ensemble de chiffres illustre clairement l’importance technologique du travail plastique. En conséquence, par rapport au magnésium pur et à de nombreux alliages de moulage, il est possible de bénéficier d’à la fois une résistance plus élevée et d’une plasticité nettement meilleure, ce qui élargit la gamme des applications structurelles.
Applications des alliages de magnésium
Les alliages de magnésium, moulés ou forgés, ont un poids spécifique d’environ 17,65 kN/m³, ce qui signifie concrètement qu’ils constituent des matériaux extrêmement avantageux lorsque le poids de la structure est un facteur critique. Ce matériau a des domaines d’application typiques qui sont la construction d’automobiles et d’avions, de matériel roulant, c’est-à-dire les industries pour lesquelles la réduction du poids se traduit par des économies d’énergie, une plus grande autonomie ou une capacité de charge accrue. Parallèlement à cela, il existe une application plus « utilitaire », notamment que l’alliage de magnésium avec du manganèse, qui se colore bien, est parfois utilisé pour de petits objets où l’esthétique et la légèreté sont toutes deux importantes.
Cependant, le choix des alliages de magnésium implique toujours une série de compromis. D’une part, leur faible poids offre d’énormes avantages structurels, mais d’autre part, la résistance à la corrosion (en particulier dans les environnements chlorés), la température de fonctionnement et la sécurité du processus de fabrication (en particulier lors de l’usinage et du traitement des copeaux) doivent être gérées avec soin. Par conséquent, dans la pratique, le magnésium et ses alliages sont rarement un « substitut » direct à l’acier ou à l’aluminium. Ils constituent généralement un choix délibéré, justifié par un équilibre entre le poids, la technologie et les conditions environnementales.
Le magnésium et ses alliages. Résumé
Le magnésium est un matériau unique principalement parce qu’en tant que métal d’ingénierie, il possède le poids spécifique le plus faible, ce qui fait de ses alliages un choix naturel dans les conceptions pour lesquelles le poids est une contrainte primordiale. Dans le même temps, le magnésium pur possède de mauvaises propriétés mécaniques et une plasticité limitée à température ambiante, c’est pourquoi les alliages de magnésium revêtent une importance industrielle majeure. Les additifs d’alliage les plus importants, tels que l’aluminium, le zinc et le manganèse, augmentent la résistance et le manganèse améliore en outre la résistance à la corrosion. La diminution de la solubilité de ces composants liée à la température permet un durcissement par dispersion, grâce à la sursaturation et au vieillissement, bien que l’effet soit généralement moins important que dans les alliages d’aluminium.
Sur le plan technologique, les alliages sont divisés en fondues et forgées, ces dernières nécessitant un travail à chaud (avec chauffage des outils), mais permettant d’atteindre des niveaux de résistance et de ductilité très favorables. Dans des applications allant de l’aérospatiale à l’automobile, le magnésium l’emporte en termes de « poids », mais nécessite une approche consciente de la corrosion, de la sécurité des processus et du choix des technologies de fabrication.
