Tout savoir sur l'aluminium pour la fabrication : Un regard approfondi sur le métal qui nous entoure

Il existe de nombreux matériaux, mais peu sont aussi importants pour notre vie quotidienne que l'aluminium. De la canette de soda dans votre main au corps d'un avion, ce métal étonnant est partout. Pourtant, nombreux sont ceux dans l'industrie qui ne comprennent pas pleinement le long voyage que ce matériau effectue, d'une roche rouge-brun à une pièce solide et fabriquée avec soin. C'est pourquoi j'ai écrit cet article. Nous allons vous montrer toute l'histoire de l'aluminium pour la fabrication. Je vais expliquer comment nous l'extrayons du sol, le processus chimique et électrique détaillé utilisé pour le nettoyer, et comment nous le transformons en la large gamme de produits que nous utilisons chaque jour. Si vous voulez comprendre les raisons de l'un des matériaux les plus utiles et les plus courants en ingénierie, cela vaut la peine d'y consacrer du temps.

What is Aluminum and Why is it So Useful?

D'après mon expérience, le meilleur endroit pour commencer est toujours par les bases. L'aluminium est le métal le plus courant dans la couche externe de la Terre, représentant environ 8 % de son poids total. Mais vous ne trouverez jamais un morceau d'aluminium pur sur le sol. Il est toujours piégé dans des minéraux, le plus souvent un minerai appelé bauxite. Ce qui rend l'aluminium si précieux pour chaque fabricant et ingénieur, c'est son mélange spécial de caractéristiques. Tout d'abord, son faible poids. Il pèse un tiers de moins que l'acier, ce qui est un grand avantage lorsque vous essayez de fabriquer des choses qui bougent, comme des voitures et des avions. Cette qualité de légèreté, combinée à son potentiel de haute résistance, lui confère un excellent rapport résistance/poids.

Mais les bonnes choses ne s'arrêtent pas là. L'une des caractéristiques les plus étonnantes de l'aluminium est sa façon naturelle de lutter contre la rouille. Lorsque l'aluminium est exposé à l'air, il crée rapidement une fine, solide et claire couche d'oxyde d'aluminium à sa surface. Cette couche d'oxyde agit comme un bouclier protecteur, empêchant le métal en dessous de rouiller comme le fer ou l'acier. Cette protection intégrée fait de l'aluminium un choix durable pour la construction extérieure, les cadres de fenêtres et les utilisations près de l'océan. De plus, l'aluminium est très bon pour transporter la chaleur et l'électricité et n'est pas non plus nocif et facile à recycler, ce qui est non seulement bon pour la terre, mais aussi bon pour économiser de l'argent. Il faut seulement 5 % de l'énergie pour recycler l'aluminium que pour le fabriquer à partir de nouveaux matériaux. Cette capacité à être utilisé de nombreuses façons explique pourquoi son application est si courante.

How do we get Aluminum? The First Step in the Manufacturing Process

Le cheminement vers la fabrication d'un produit en aluminium fini commence profondément dans la terre. La principale matière première pour la fabrication de l'aluminium est le minerai de bauxite, une roche argileuse. Vous ne trouverez pas cela partout ; environ 90 % de la bauxite mondiale se trouve dans les régions chaudes du monde. La première partie du processus de fabrication consiste à extraire ce minerai. Parce que la bauxite est généralement près de la surface, elle est extraite par l'exploitation minière à ciel ouvert. Cela signifie défricher le sol et utiliser de grosses machines comme des bulldozers et des excavatrices pour déterrer la bauxite.

Une fois extraite, la bauxite brute n'est pas prête à être utilisée. Elle ne contient que 30 à 60 % d'oxyde d'aluminium (également appelé alumine), et le reste est un mélange de matières indésirables comme les oxydes de fer (qui donnent à la bauxite sa couleur rouge) et la silice. Pour accéder au bon aluminium, nous devons d'abord nettoyer la bauxite pour éliminer cette matière indésirable. Le minerai brut est acheminé vers une usine de traitement où il est lavé, broyé et réduit en une forme plus uniforme, le préparant pour la prochaine étape importante. Cette première étape est très importante pour le bon fonctionnement du prochain processus chimique. Le but est de séparer l'oxyde d'aluminium et de produire une poudre blanche pure et fine appelée alumine.

What is the Bayer Process for Refining Aluminum?

Maintenant, voici où cela devient intéressant. Pour séparer l'oxyde d'aluminium pur des matières indésirables dans la bauxite, nous utilisons une méthode appelée le procédé Bayer, créé par Carl Josef Bayer en 1888. J'ai toujours pensé que ce procédé était une astuce chimique intelligente. La bauxite broyée est mélangée à un liquide chaud de soude caustique (hydroxyde de sodium) à l'intérieur de grands réservoirs à haute pression. La chaleur et la pression font que l'hydroxyde de sodium dissout les parties qui contiennent de l'aluminium, créant un liquide d'aluminate de sodium.

L'important est que les autres matériaux dans la bauxite, comme les oxydes de fer et autres matières indésirables, ne se dissolvent pas dans la soude caustique. Cela nous permet de les séparer. Le mélange est envoyé dans des réservoirs de décantation où ces solides restants — appelés « boues rouges » — coulent au fond et sont retirés avec un filtre. Après la filtration, le liquide restant riche en aluminium est refroidi et pompé dans de grands réservoirs de décantation. Ici, de minuscules cristaux d'ensemencement d'hydroxyde d'aluminium sont ajoutés, ce qui aide l'hydroxyde d'aluminium dissous à se transformer en un solide et à sortir du liquide sous forme de cristaux solides. Enfin, ces cristaux sont ensuite chauffés dans de grands fours à plus de 960 °C pour éliminer l'eau, ce qui laisse une poudre fine, blanche et sableuse — de l'oxyde d'aluminium pur, ou alumine.

How Does the Hall-Héroult Process Create Pure Aluminum?

Une fois que nous avons notre poudre d'alumine pure, il nous reste encore une grande étape avant d'avoir de l'aluminium métal utilisable. L'alumine est de l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), ce qui signifie qu'elle contient des atomes d'oxygène qui sont chimiquement liés à l'aluminium. Pour obtenir de l'aluminium pur, nous devons briser cette forte connexion. Cela se fait en utilisant une autre méthode intelligente appelée le procédé Hall-Héroult, qui a été créé par deux inventeurs différents, Charles Hall et Paul Héroult, en 1886. Ce procédé est la seule méthode à grande échelle utilisée pour fabriquer du nouvel aluminium aujourd'hui.

Dans ce procédé, l'alumine est dissoute dans de la cryolite fondue (un minéral de fluorure de sodium et d'aluminium) à l'intérieur d'un grand récipient en acier revêtu de carbone appelé cuve. La cryolite fondue la fait fondre à une température plus basse, ce qui aide le procédé à utiliser moins d'énergie. Un fort courant électrique est envoyé à travers ce liquide. Le revêtement en carbone de la cuve agit comme l'extrémité négative (cathode), tandis que de grands blocs de carbone dans le liquide agissent comme les extrémités positives (anodes). Le fort courant électrique démarre une réaction chimique, brisant la connexion entre l'aluminium et l'oxygène dans l'alumine. Les atomes d'oxygène vont aux anodes de carbone, produisant du dioxyde de carbone, tandis que l'aluminium pur fondu plus lourd coule au fond de la cuve, où il peut être drainé. Le métal qui est fabriqué est pur à environ 99,8 %.

Are All Types of Aluminum the Same? A Look at Alloys

Bien que l'aluminium pur soit utile pour certaines choses, comme les fils électriques ou le papier d'aluminium, il est généralement trop mou pour la plupart des utilisations dans la construction. C'est là que l'idée d'un alliage est utilisée. Dans mon travail, comprendre les petites mais importantes différences entre les alliages est très important. Un alliage d'aluminium est un mélange d'aluminium avec d'autres éléments pour améliorer une certaine caractéristique, comme la résistance, la résistance à la corrosion ou la facilité de coupe. Le choix des éléments ajoutés détermine les caractéristiques finales du matériau.

Il existe deux principaux types d'alliages d'aluminium : les alliages de fonderie et les alliages corroyés. Les alliages de fonderie sont conçus pour être coulés dans un moule afin de créer des formes difficiles, comme les blocs moteurs. Les alliages corroyés, en revanche, sont mis en forme par la force dans leur forme finale par des procédés comme le laminage, le pressage ou le poussage. Ces alliages sont regroupés en séries, indiquées par un nombre à quatre chiffres. Par exemple :

• Série 1xxx : Il s'agit d'aluminium pur (au moins 99 % pur) et il est connu pour sa grande résistance à la rouille et sa capacité à transporter l'électricité.
• Série 3xxx : Ici, le manganèse est le principal élément ajouté, ce qui ajoute de la résistance mais reste facile à façonner. Vous le trouverez dans une canette de soda.
• Série 5xxx : Du magnésium est ajouté pour créer un alliage avec une haute résistance à la traction et une grande résistance à la corrosion, en particulier dans les zones océaniques.
• Série 6xxx : Ces alliages contiennent à la fois du magnésium et du silicium, ils peuvent donc être traités thermiquement pour les rendre encore plus résistants. Le 6061 est l'un des alliages les plus utilisés de nombreuses façons et très courants pour la construction et les voyages.
• Série 7xxx : Avec le zinc comme élément principal, ce sont les alliages d'aluminium les plus résistants, ce qui les rend nécessaires pour les utilisations avec beaucoup de pression comme dans l'industrie aérospatiale.

How is the Strength of an Aluminum Alloy Achieved?

Une question courante que j'entends est de savoir comment l'ajout d'une petite quantité d'un autre métal peut grandement modifier la caractéristique de l'aluminium. La réponse réside dans la façon dont ces éléments ajoutés se mélangent à la structure minuscule de l'aluminium. L'aluminium pur a une structure cristalline très uniforme et organisée, ce qui permet aux couches d'atomes de glisser facilement les unes sur les autres, ce qui rend le métal mou et facile à plier. Lorsque nous ajoutons des atomes d'un élément différent, comme le cuivre ou le magnésium, ils perturbent cette structure organisée. Ces différents atomes peuvent être de différentes tailles, créant des « embouteillages » dans le motif cristallin qui rendent beaucoup plus difficile le déplacement des couches d'atomes. Cette difficulté de mouvement est ce que nous ressentons comme plus de dureté et de résistance.

De plus, de nombreux alliages d'aluminium, en particulier dans les séries 2xxx, 6xxx et 7xxx, peuvent être rendus encore plus résistants grâce à un procédé appelé traitement thermique. Cela signifie chauffer l'alliage à une certaine température pour dissoudre les éléments ajoutés dans le métal principal, puis le refroidir rapidement (trempe) pour bloquer ces atomes en place. Enfin, le matériau est vieilli, soit à température ambiante, soit dans un four légèrement chaud. Pendant le vieillissement, les atomes ajoutés piégés se regroupent pour former de très petits morceaux qui agissent comme de forts obstacles au mouvement à l'intérieur du métal, augmentant considérablement la résistance du métal. Cette capacité à ajuster la résistance fait de l'aluminium un matériau d'ingénierie très utile.

What are the Most Common Applications for Aluminum?

La grande utilité de l'aluminium signifie que sa liste d'utilisations est très longue. Au cours de mes années d'écriture, je l'ai vu utilisé dans presque toutes les industries. Son faible poids et sa résistance en font un élément clé de l'industrie du transport. Les voitures utilisent l'aluminium pour les blocs moteurs, les roues et les panneaux de carrosserie afin d'obtenir un meilleur rendement énergétique. Dans l'industrie aérospatiale, les alliages d'aluminium sont nécessaires pour la construction du corps et des ailes des avions, où l'économie de poids est importante. L'utilisation courante de ce métal montre à quel point ses caractéristiques sont utiles.

L'industrie de la construction utilise l'aluminium pour les cadres de fenêtres et de portes, les toitures et les panneaux muraux extérieurs en raison de sa résistance à la corrosion et de sa longue durée de vie. Dans l'emballage, l'aluminium est utilisé pour fabriquer la canette de boisson courante et l'emballage flexible en feuille qui protège les aliments et les médicaments. Sa grande capacité à déplacer la chaleur le rend parfait pour les casseroles et les poêles et pour les dissipateurs de chaleur dans l'électronique, tandis que sa grande capacité à transporter l'électricité explique pourquoi il est utilisé dans les lignes électriques. Même les objets autour de la maison, des échelles aux meubles, sont meilleurs grâce à la finition légère et propre de l'aluminium. La liste des applications ne cesse de croître à mesure que de nouveaux alliages et de nouvelles façons de fabriquer des choses sont créés.

Quel est le processus de formation des pièces en aluminium ?

Une fois que nous avons le bon alliage d'aluminium sous la forme d'un gros bloc ou d'une barre, nous devons le façonner en un produit utile. Il existe plusieurs façons principales de fabriquer des pièces en aluminium, chacune étant adaptée à différentes utilisations et formes. Les trois plus courantes sont l'extrusion, le laminage et la fonderie.

• Extrusion : Il s'agit d'un très bon procédé où une barre d'aluminium chauffée est poussée par une forte presse à travers un trou façonné dans une matrice en acier. Pensez-y comme presser du dentifrice d'un tube. Cette méthode est utilisée pour créer de longues pièces avec la même forme sur toute la longueur, comme les cadres de fenêtres, les rails de portes et les poutres de support.
• Laminage : Pour fabriquer des objets plats comme des feuilles, des plaques et du papier d'aluminium, un lingot d'aluminium est envoyé à plusieurs reprises à travers des paires de rouleaux lourds qui rendent le métal plus mince et plus long à chaque fois. C'est ainsi que nous obtenons la fine tôle pour une carrosserie de voiture ou le papier d'aluminium très fin pour votre cuisine.
• Fonderie : Pour les formes 3D difficiles, la fonderie est la meilleure façon. Cela signifie verser de l'alliage d'aluminium fondu dans un moule. Il existe plusieurs méthodes, y compris la coulée sous pression, où le métal fondu est poussé avec une haute pression dans une matrice en acier, ce qui permet de fabriquer des pièces en aluminium très détaillées et exactes comme des pièces de voiture. La fonderie en sable est une autre forme où un moule en sable est utilisé pour créer la forme souhaitée.

Comment pouvons-nous finir et protéger les produits en aluminium ?

Bien que l'aluminium ait une grande protection naturelle contre la rouille, il existe de nombreuses utilisations où sa surface doit être améliorée pour durer plus longtemps, avoir une meilleure apparence ou faire un travail spécial. C'est là que les étapes de finition sont utilisées. Un fabricant peut choisir parmi différentes options pour obtenir l'apparence et la qualité qu'il souhaite.

L'une des méthodes les plus courantes est l'anodisation. Il s'agit d'un procédé utilisant l'électricité et des produits chimiques qui rend intentionnellement la couche d'oxyde naturelle sur la surface de l'aluminium plus épaisse. Cela rend la surface beaucoup plus dure, plus durable et meilleure pour lutter contre la corrosion. La structure spongieuse de la couche anodisée peut également être colorée pour créer une finition colorée qui dure longtemps. Un autre choix populaire est le revêtement en poudre, où une peinture sèche en poudre est appliquée à l'aide d'électricité statique sur la pièce en aluminium, puis durcie avec de la chaleur. Cela crée une finition solide et esthétique qui est très difficile à écailler ou à décolorer. Pour d'autres utilisations, des finitions physiques comme le meulage, le polissage ou le sablage avec de petites billes peuvent être utilisées pour obtenir différents aspects, d'un éclat doux à une finition miroir.

Pourquoi l'application de l'aluminium dans l'industrie aérospatiale est-elle si essentielle ?

Je veux partager une dernière réflexion sur le secteur aérospatial, car c'est peut-être le meilleur exemple de ce que l'aluminium peut faire. Dans une industrie où le faible poids est directement lié à la qualité du fonctionnement, l'aluminium est le meilleur choix. Jusqu'à 80 % de la structure d'un avion moderne est fabriquée à partir d'alliages d'aluminium à haute résistance. La raison pour laquelle il est si utilisé est simple : aucun autre matériau ne donne un aussi bon mélange de rigidité, de capacité à gérer les dommages et de faible poids pour un bon prix.

Les alliages des séries 2xxx et 7xxx sont particulièrement importants. Les alliages comme le 2024 sont utilisés pour le corps principal des avions car ils sont excellents pour résister à l'usure due aux contraintes répétées, tandis que les alliages à haute résistance comme le 7075 sont utilisés pour les pièces importantes comme la couche externe des ailes et les poutres de support. Le processus de fabrication de ces pièces aérospatiales est très précis et nécessite des contrôles de qualité parfaits. La capacité de produire de grandes pièces en aluminium légères et solides grâce à l'extrusion et au laminage permet aux ingénieurs de concevoir des avions efficaces et sûrs. Les nouvelles améliorations dans le développement des alliages d'aluminium sont une grande raison des améliorations dans l'industrie aérospatiale, ce qui permet d'avoir des avions plus légers, plus rapides et qui consomment moins de carburant. L'application courante de l'aluminium est vraiment ce qui rend les avions modernes possibles.

Choses à retenir

• Aluminium commence comme bauxite minerai, qui doit être extrait puis nettoyé.
• Le Bayer processus utilise un chimique liquide et chaleur pour nettoyer bauxite et le transformer en alumine (oxyde d'aluminium).
• Le Hall-Héroult processus utilise l'électricité pour séparer aluminium pur de la oxygène dans l'alumine.
• Aluminium pur est souvent mélangé à d'autres éléments pour créer un alliage avec une caractéristique spéciale, comme plus de la force ou une meilleure résistance à la rouille.
• Les caractéristiques spéciales de aluminium—faible poids, la forceet corrosion résistance — en font un matériel qui peut être utilisé de nombreuses façons, dans tout, des avions aux bâtiments et aux emballages.
• Aluminium peut être façonné en un final produit en utilisant des méthodes comme l'extrusion, le laminage et coulée.
• Des étapes de finition comme l'anodisation et le revêtement en poudre peuvent être utilisées pour améliorer sa durée de vie et son apparence.