Jantes, boîtes et avions :aluminium et pièces moulées en aluminium

Extraction, transformation et coulée en fonderie

La popularité croissante de l'aluminium

L'aluminium est le troisième élément le plus abondant au monde et le métal le plus abondant dans la croûte terrestre. L'aluminium contribue à plus de 8% de la masse du noyau terrestre. Cependant, il est difficile à raffiner par rapport à d'autres métaux, comme le fer. Pour cette raison, l'utilisation de l'aluminium a pris du retard par rapport aux autres produits métalliques, tandis que des méthodes efficaces et rentables ont été développées pour surmonter ces complexités.

Il existe de nombreuses similitudes entre les industries de l'aluminium et de l'acier. Les deux reposent sur l'extraction de métaux à partir de minerais minéraux présents à la surface de la terre. Les processus de fabrication des deux sont énergivores et impliquent de verser du métal liquide dans des moulages ou d'utiliser des machines de coulée continue. L'aluminium et l'acier sont également en concurrence sur des marchés similaires pour l'industrie automobile et aérospatiale. Cependant, il existe des différences significatives dans le traitement et les propriétés de ces métaux.

Traitement de l'aluminium

La bauxite est une roche sédimentaire à haute teneur en aluminium; généralement, environ 46 à 60 %. La bauxite est souvent recouverte de plusieurs mètres de roche et d'argile, qu'il faut d'abord enlever avant de pouvoir récupérer la bauxite. La bauxite passe ensuite par des installations de concassage ou de lavage avant d'être transportée pour traitement.

Au milieu des années 1880, deux méthodes distinctes sont inventées et utilisées en série pour produire de l'aluminium. La méthode Bayer utilise un procédé chimique pour extraire l'aluminium de la bauxite. Le procédé Hall-Héroult utilise l'électrolyse pour extraire l'aluminium de l'alumine ou de l'oxyde d'aluminium produit par le procédé Bayer.

Processus Bayer

Le minerai de bauxite est broyé et mélangé avec de la soude caustique pour produire une bouillie contenant de fines particules de minerai. La boue est maintenue à des températures comprises entre 140 °C et 280 °C, selon le minerai spécifique traité. Pendant ce temps, l'aluminium se dissout dans la solution de soude caustique. Toutes les impuretés se déposent de la solution dans un résidu appelé boue rouge.

La dernière étape du processus est l'ajout de germes cristallins à la solution de soude caustique. L'alumine dissoute se fixe à ces germes cristallins. Le produit final du procédé Bayer est l'alumine ou l'oxyde d'aluminium, qui a l'apparence d'une poudre blanche.

Procédé Hall-Héroult

L'unité de réduction d'une usine d'aluminium est constituée de pots ou cellules de réduction connectés en série. Chaque pot est constitué d'une coque en acier doublée de carbone. De la cryolithe fondue (un minéral fluoré) contenant de l'oxyde d'aluminium est versée dans chaque pot et des électrodes en carbone sont insérées dans la solution par le haut. Lorsque le courant traverse la solution de cryolite, l'aluminium se sépare de l'oxygène, formant du gaz carbonique. L'aluminium liquide s'accumule au fond du pot.

L'alumine liquide est ensuite aspirée des pots de réduction à intervalles réguliers dans des godets sous vide. Celui-ci est transféré dans un four et coulé en lingots dans des moules, ou par une machine de coulée continue. L'aluminium produit par ce procédé est pur à environ 99,8 %. Le procédé électrolytique pour la production d'aluminium est très énergivore, nécessitant 15 MWH par tonne de production. La plupart des fonderies sont donc situées à côté d'un groupe électrogène comme les centrales hydroélectriques.

Moulage d'aluminium

Une fois l'aluminium extrait et traité, l'étape suivante consiste à le couler sous forme de produit. Les pièces moulées en aluminium sont formées en versant du métal fondu dans des moules qui ont été façonnés selon un modèle du produit final souhaité. Trois types courants de méthodes de moulage sont utilisés pour produire des pièces moulées :le moulage sous pression, le moulage permanent et le moulage au sable.

Moulage sous pression

Le moulage sous pression utilise la pression pour forcer l'aluminium fondu dans une matrice en acier. Ce type de fonderie est souvent utilisé pour la production en série de pièces, qui nécessitent un minimum de finition et d'usinage. Le moulage sous pression a des temps de cycle courts mais des coûts d'outillage élevés. Le système de moulage sous pression crée une peau à haute résistance mais un intérieur plus faible que le moulage en moule permanent. Il existe deux types de moulage sous pression :le moulage sous pression à basse pression et à haute pression.

MOULAGE SOUS PRESSION

BASSE PRESSION

HAUTE PRESSION

Bonnes valeurs de résistance

Valeurs de résistance inférieures

Convient pour l'automatisation

Convient pour l'automatisation

Technologie de matrice et de machine simple

Matrices compliquées et coûteuses

Cycles de coulée plus lents

Cycles de coulée courts

Réduction des coûts d'investissement et d'exploitation

Coûts d'investissement et d'exploitation élevés

Épaisseur de paroi minimale d'environ 3 mm

Convient aux composants à parois minces

Moulage permanent

La coulée en moule permanent utilise des moules et des noyaux en acier ou en d'autres métaux. Des moulages solides sont formés en versant de l'aluminium dans le moule. Les moules permanents sont utilisés pour créer des pièces hautement reproductibles avec cohérence. Leurs vitesses de refroidissement rapides génèrent une microstructure plus cohérente, ce qui peut améliorer considérablement les propriétés mécaniques.

La coulée en moule permanent est utilisée pour créer des jantes en alliage. Les roues en aluminium sont également plus légères que les roues en acier, nécessitant moins d'énergie pour tourner. Ils offrent une plus grande efficacité énergétique, ainsi qu'une meilleure maniabilité, accélération et freinage. Cependant, pour les applications de chenilles industrielles à usage intensif, les roues en acier sont plus couramment utilisées. Leur durabilité les rend presque impossibles à plier ou à fissurer. Lorsqu'elles sont utilisées sur une piste, les roues en acier tolèrent mieux les irrégularités de la piste, ce qui augmente la sécurité.

Moulage au sable

Les moulages au sable sont créés en tassant un mélange de sable fin autour d'un motif du produit souhaité. Le motif est légèrement plus grand que le produit final pour permettre le rétrécissement de l'aluminium pendant le refroidissement. Le moulage au sable est économique car le sable peut être réutilisé plusieurs fois. Il est également efficace pour créer de grandes moulures ou celles avec des dessins détaillés. Les coûts d'outillage initiaux sont faibles, mais les prix par pièce sont plus élevés, ce qui rend le moulage au sable adapté aux moulages spécialisés par rapport à la production de masse.

Le contrôle de l'aluminium fondu a une incidence directe sur la qualité de la coulée obtenue. Des éléments d'alliage sont ajoutés à l'aluminium fondu pour obtenir la qualité d'aluminium et les propriétés souhaitées. L'ajout et la distribution contrôlés de l'alliage dans l'aluminium garantiront que le produit est sain et qu'il possède les propriétés mécaniques attendues.

L'aluminium se solidifie avec une structure de grain colonnaire. Ces colonnes se développent jusqu'au point de contact avec un autre grain - plus il y a de grains, plus la structure moléculaire est fine. Le raffinage des grains utilise du titane et du bore pour créer des sites de noyaux de grains afin d'obtenir cette structure fine.

L'hydrogène gazeux est une impureté qui peut provoquer des défauts dans la pièce moulée en aluminium en créant des pores à mesure que le produit se solidifie. Pendant la coulée, des gaz de dégazage et de purge sont nécessaires pour maintenir l'environnement exempt de toute impureté susceptible d'avoir un impact négatif sur le produit final.

Alliages de fonderie

Une large gamme d'alliages de coulée est disponible pour s'adapter à l'application finale. Chacun de ces alliages de coulée a ses propres caractéristiques telles que la soudabilité, l'usinabilité, la résistance à la corrosion et les propriétés de traitement thermique.

L'aluminium fondu a plusieurs caractéristiques qui peuvent être contrôlées pour maximiser les propriétés de coulée. L'aluminium fondu a tendance à capter l'hydrogène gazeux et les oxydes à l'état fondu et peut être sensible aux oligo-éléments mineurs. Bien que certains moulages décoratifs ou commerciaux ne nécessitent pas de traitement supplémentaire, une finition supplémentaire est souvent bénéfique. Un contrôle strict de la fusion et des techniques spécialisées de traitement du métal en fusion peuvent fournir des propriétés mécaniques améliorées.

Finitions et revêtements en aluminium

L'un des attraits esthétiques de l'aluminium est sa haute réflectivité. Cette caractéristique a été exploitée pour fabriquer des produits de consommation haut de gamme avec une finition de surface propre. Ceci est encore renforcé par la formation naturelle d'une fine couche d'oxyde sur la surface. Cette couche peut être rendue plus épaisse en anodisant le produit. La présence de la couche d'oxyde scelle efficacement l'aluminium contre toute oxydation supplémentaire, ce qui le rend très résistant à la corrosion. Diverses finitions et revêtements peuvent aider l'aluminium à atteindre cette qualité brillante mais durable.

Finitions

Certains alliages d'aluminium sont traités thermiquement pour améliorer leurs propriétés pour des applications spécifiques. La fonte d'aluminium solide est chauffée à une température prédéterminée, ce qui permet à la microstructure moléculaire de se répartir uniformément dans tout le matériau. Un refroidissement rapide permet alors au modèle de microstructure de rester en place et les propriétés idéales sont atteintes.

Les alliages qui ne peuvent pas être traités thermiquement sont finis par travail à froid, principalement par laminage. La résistance du métal est grandement améliorée car les imperfections de la microstructure sont minimisées en compactant étroitement les molécules ensemble.

Revêtements

L'aluminium a une finition de surface de haute qualité qui est déjà esthétique. Cependant, différents revêtements peuvent offrir d'autres avantages à la finition.

Revêtements PVDF

Les revêtements PVDF sont des peintures à base de solvants à très haute résistance aux intempéries. Cependant, ils peuvent être rayés. Le PVDF ne se décolore pas à cause de l'exposition au soleil et peut être fabriqué avec un aspect métallique.

Peintures liquides

Les peintures liquides sont plus économiques que les revêtements PVDF mais leurs propriétés sont également moins recherchées. Ils ont une finition de qualité inférieure et la résistance aux intempéries n'est pas aussi forte.

Revêtements en poudre

Les revêtements en poudre répondent aux spécifications de durabilité les plus strictes au même niveau que les revêtements PVDF. Ils ont un excellent aspect de finition et sont populaires dans les applications de construction pour les cadres de fenêtres et de portes, ainsi que pour le mobilier de site comme les bornes et les supports à vélos. Ils sont plus résistants à l'usure et sont souvent spécifiés dans les zones à fort trafic telles que les hôtels et les magasins.

Anodisation

L'anodisation est utilisée pour épaissir la couche de surface oxydée et améliorer la résistance à la corrosion du produit. Le revêtement est dur, durable et autoréparable, ce qui en fait un choix populaire pour les architectes. Le processus d'anodisation est réalisé à l'aide d'une séquence de bacs de trempage.

Propriétés de l'aluminium

L'aluminium est bien connu pour être léger. En fait, il est presque trois fois plus léger que le fer, avec une densité de 2 700 kg/m ³ . Remarquablement, la faible densité de l'aluminium n'affecte pas sa résistance. Les alliages d'aluminium ont une large gamme de caractéristiques de résistance avec des résistances à la traction allant de 70 à 700 MPa. À basse température, la résistance de l'aluminium augmente, tandis qu'à haute température, elle diminue.

L'aluminium peut également être facilement usiné et la puissance requise est faible en raison de la densité plus faible. Les niveaux élevés de malléabilité de l'aluminium lui confèrent la capacité d'être extrudé facilement. Cela permet au produit d'être plié et roulé, et est une caractéristique clé dans la création de feuilles d'aluminium.

https://www.dependence-foundry.com/wp-content/uploads/aluminium-rolling.mov

Qualité et normes de l'aluminium

Les produits en aluminium sont certifiés en fonction du matériau d'alliage utilisé dans le produit. Les éléments d'alliage les plus courants sont les suivants :

• Silicium
• Fer
• Cuivre
• Magnésium
• Zinc

ALUMINIUM CLASSÉ EN SÉRIE AVEC PROPRIÉTÉS ET COMPOSITIONS

SÉRIE

ALUMINIUM %

ALLIAGE

TRAITABLE À LA CHALEUR

PROPRIÉTÉS

APPLICATIONS

1xyz

>99.yz

• Excellente résistance à la corrosion et maniabilité
• Haute conductivité thermique et électrique

• Transmission
• Lignes du réseau électrique

2xyz

>99.yz

Cuivre

Oui

• Haute résistance et ténacité
• Résistance à la corrosion réduite

• Avions

3xyz

>99.yz

Manganèse

Non

• Force modérée
• Bonne maniabilité

• Échangeurs de chaleur
• Ustensiles de cuisine
• Canettes de boisson

4xyz

>99.yz

Silicium

Non

• Point de fusion inférieur sans fragilité

• Fils de soudage
• Baguettes de brasage

5xyz

>99.yz

Magnésium

Non

• Résistance modérée à élevée
• Résistance à la corrosion en milieu marin
• Bonne soudabilité

• Bâtiment et construction
• Réservoirs de stockage
• Récipients sous pression
• Applications marines

6xyz

>99.yz

Silicium et Magnésium

Oui

• Haute résistance modérée
• Excellente résistance à la corrosion
• Haute soudabilité

• Architecture
• Structural
• Camions
• Cadres marins

7xyz

>99.yz

Zinc

Oui

• Très haute résistance

• Avions
• Montres Apple

SÉRIE

ALUMINIUM %

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Silicium et Magnésium

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TRAITABLE À LA CHALEUR

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PROPRIÉTÉS

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• Excellente résistance à la corrosion et maniabilité
• Haute conductivité thermique et électrique

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• Haute résistance et ténacité
• Résistance à la corrosion réduite

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• Force modérée
• Bonne maniabilité

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• Point de fusion inférieur sans fragilité

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• Résistance modérée à élevée
• Résistance à la corrosion en milieu marin
• Bonne soudabilité

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• Haute résistance modérée
• Excellente résistance à la corrosion
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• Très haute résistance

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APPLICATIONS

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• Transmission
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• Fils de soudage
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• Récipients sous pression
• Applications marines

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• Architecture
• Structural
• Camions
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• Avions
• Montres Apple

Santé et sécurité

Au cours du procédé Hall-Héroult, de grandes quantités de gaz sont émises. Ces gaz sont capturés et traités car les composés fluorés toxiques doivent être éliminés avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Le processus de production d'aluminium génère du CO₂ , entraînant une empreinte carbone plus élevée pour les produits en aluminium. De nombreux fabricants placent les fonderies d'aluminium à côté de sources d'énergie renouvelables, telles que des centrales hydroélectriques, plutôt que de produire de l'électricité à partir de combustibles fossiles.

Sous sa forme soluble, Al ³⁺ , l'aluminium est toxique pour les plantes. Les sols acides ont tendance à accélérer la libération d'Al ³⁺ de ses minerais et réduire les rendements de produits de ces champs. Comme près de la moitié des terres arables dans le monde sont acides, l'impact négatif de l'aluminium sur les rendements des cultures peut être sévère.

Le corps humain peut également être affecté par l'aluminium. Les effets sur la santé d'une accumulation d'aluminium comprennent un risque accru de maladie d'Alzheimer et de certains cancers, bien que non prouvé de manière concluante. A forte concentration, l'aluminium est une neurotoxine qui agit sur le cerveau et la structure osseuse. L'aluminium se trouve dans le levain, les émulsifiants et les colorants, ainsi que certains produits antiacides.

Applications aluminium

L'aluminium est un métal bien arrondi avec une finition lumineuse qui s'adresse à un marché diversifié, y compris divers articles commerciaux et ménagers.

Aéronautique

Les progrès de l'industrie aérospatiale ont été largement tributaires du développement des produits en aluminium. Leur combinaison de propriétés, en particulier leur légèreté et leur résistance, ont permis à l'humanité de développer des véhicules suffisamment solides et légers pour échapper à l'atmosphère terrestre. Les frères Wright ont utilisé de l'aluminium pour le carter moteur de leur premier biplan à ossature bois. Les avions de transport commerciaux modernes sont composés à 80 % d'aluminium, que l'on trouve principalement dans leurs cellules, en particulier pour les fuselages et les ailes. L'aluminium est largement utilisé dans l'industrie spatiale pour les navettes et les structures de la station spatiale internationale.

Construction et architecture

Les réseaux électriques et les lignes de transmission électrique ont été transférés à l'aluminium plutôt qu'au cuivre comme base. Cela est dû à l'excellente conductivité et à la légèreté pour de grandes longueurs de câbles. Les alliages d'aluminium sont également utilisés dans la construction pour fournir des cadres solides capables de supporter le poids important des grandes vitres. Les architectes utilisent largement ces caractéristiques dans les aéroports et les immeubles de grande hauteur.

Mobilier de chantier

Bien que la plupart des meubles de site (bancs, poubelles, porte-vélos, etc.) soient fixés en place, les bornes amovibles sont un dispositif de guidage de la circulation qui peut être mis en place pour empêcher l'accès des véhicules ou retiré pour le permettre. L'aluminium est souvent utilisé pour les applications de bornes amovibles en raison de la légèreté du métal; il est beaucoup plus facile pour le personnel de l'événement de se déplacer à l'intérieur ou à l'extérieur.

Nourriture et boissons

Les aliments et les boissons en conserve sont un autre marché où l'aluminium domine. Les canettes en aluminium refroidissent rapidement et offrent une surface hautement imprimable. Les niveaux élevés de recyclabilité font également de l'aluminium un partenaire attrayant pour cette industrie. Ils protègent également la saveur et l'intégrité du contenu scellé à l'intérieur en raison de leur protection contre l'oxygène, la lumière et d'autres contaminants.

Appareil et technologie

Les appareils électroménagers ont également bénéficié des propriétés de l'aluminium. Ses propriétés thermiques le rendent idéal pour les applications de réfrigération, tandis que son poids léger permet de déplacer et de transporter facilement les appareils. Avec le développement de la finition « aluminium brossé », des produits très esthétiques peuvent être créés pour le marché haut de gamme. La société technologique Apple a ouvert la voie en créant des ordinateurs portables en aluminium, fabriqués à partir d'un seul bloc d'aluminium. Les téléviseurs à écran plat bénéficient également de la propriété légère de l'aluminium; un produit en acier équivalent serait trop lourd pour être accroché au mur.

Automobile

Les constructeurs automobiles subissent de plus en plus de pressions pour réduire l'empreinte carbone de leurs véhicules. Les cadres, les panneaux de carrosserie et les moteurs en aluminium léger contribuent à cette cause en améliorant l'économie de carburant. Il existe également d'autres avantages environnementaux, car près de 90 % des déchets d'aluminium automobile sont collectés pour être recyclés.

Recyclage de l'aluminium

La plupart de l'aluminium peut être recyclé. Les canettes de boisson et les pièces automobiles sont des industries à fort bassin où les matériaux sont collectés et recyclés efficacement. Une fois l'aluminium usagé collecté, il est acheminé vers une installation de traitement, où il est trié en différentes qualités et nettoyé. Le métal est ensuite fondu pour éliminer les revêtements, les encres et autres impuretés. Au cours de cette étape, des alliages peuvent être ajoutés si nécessaire, après quoi il est coulé en lingots. Ces lingots peuvent être fournis aux fonderies où ils sont utilisés pour la coulée, ou transférés à d'autres fabricants pour un traitement ultérieur. L'aluminium recyclé peut être remis sur le marché sous forme de nouveaux produits en seulement six semaines.

Nettoyage et entretien de l'aluminium

La plupart des produits en aluminium peuvent être maintenus propres à l'aide d'eau claire ou d'un savon ou d'un détergent doux. Lorsque les taches sont plus tenaces, vous pouvez utiliser de la térébenthine ou un nettoyant chimique non mordant. Pour plus de puissance de nettoyage, des vernis à base de cire, des cires abrasives ou des nettoyants abrasifs peuvent être utilisés. Il est important de sécher les produits en aluminium après le nettoyage pour éviter les traces, et les résidus de nettoyage doivent être éliminés des bords et des joints.

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