Comprendre les différents types d'aluminium : Grades, propriétés et utilisations

Introduction

L'aluminium est l'un des matériaux les plus populaires dans la conception et la construction contemporaines en raison de ses avantages tels que son rapport résistance/poids élevé, sa résistance à la corrosion, sa facilité de mise en forme et son aspect esthétique. Ces qualités lui ont permis d'augmenter considérablement son utilisation dans presque tous les domaines de diverses industries au cours des dernières années, ce qui témoigne de son importance dans le monde d'aujourd'hui.

Bien que l'aluminium pur possède certaines propriétés utiles, son utilisation est quelque peu limitée dans la pratique. Il est généralement allié à du silicium, du magnésium et du manganèse pour créer des matériaux aux propriétés améliorées et particulières pour différentes applications. Ce processus permet de créer un certain nombre de qualités différentes d'alliages d'aluminium qui présentent des caractéristiques physiques et chimiques différentes, ce qui les rend utilisables.

Les alliages d'aluminium sont principalement classés en deux grandes catégories en fonction du processus de fabrication : les alliages d'aluminium corroyés et les alliages d'aluminium moulés. Ces deux types d'alliages sont fabriqués selon différents procédés industriels qui définissent leurs caractéristiques sous la forme solide du produit final. Dans cet article, nous expliquerons les critères de classification des alliages d'aluminium, leurs principales propriétés physiques distinctives et leurs utilisations les plus fréquentes.

Vue d'ensemble de l'aluminium corroyé

Les alliages d'aluminium corroyés sont des alliages d'aluminium formés par travail mécanique à l'état solide. Cette catégorie comprend la grande majorité des utilisations de l'aluminium, soit environ 85% de tout l'aluminium utilisé. Le travail du métal par laminage, extrusion, forgeage, étirage, etc., modifie la structure du grain du métal et, dans la plupart des cas, améliore sa résistance et d'autres caractéristiques mécaniques. Les différents types d'alliages d'aluminium sont classés par un numéro à quatre chiffres, où le premier chiffre fait référence à l'élément d'alliage primaire, et le deuxième chiffre fait référence à l'alliage particulier ou à la pureté de l'aluminium dans le cas de la série 1xxx, ce qui permet aux professionnels de déterminer plus facilement leurs principales propriétés et leurs domaines d'application.

Vue d'ensemble de la fonte d'aluminium

Contrairement à l'aluminium corroyé, les alliages d'aluminium coulés sont fabriqués en versant de l'aluminium liquide dans des moules de la forme voulue. Cette méthode est particulièrement utile pour la création de géométries et de parties complexes du modèle. Les alliages coulés contiennent plus de silicium que les alliages corroyés, ce qui leur confère de meilleures caractéristiques d'écoulement lors de la coulée. Ils sont également numérotés selon un système à quatre chiffres, mais avec un point décimal après les trois premiers chiffres pour indiquer qu'il s'agit d'un alliage coulé. Bien que les alliages corroyés soient beaucoup plus durables, pour certaines applications, la flexibilité dans la conception est beaucoup plus avantageuse, ce qui est le cas des alliages coulés.

Aluminium corroyé et aluminium moulé : Principales différences

L'aluminium corroyé et l'aluminium moulé sont tous deux des matériaux essentiels dans les industries manufacturières actuelles, mais ils diffèrent en termes de composition, de traitement et de performance.

Éléments d'alliage

La première différence est basée sur les éléments utilisés dans les alliages et leurs pourcentages.

Les alliages corroyés sont produits par une combinaison et un dosage appropriés d'éléments tels que le cuivre, le manganèse, le silicium, le magnésium et le zinc, afin d'obtenir les propriétés mécaniques souhaitées, telles que la solidité, la ductilité et la résistance à la corrosion. Les éléments choisis pour les alliages coulés sont ceux qui améliorent leur coulabilité, en particulier le silicium, mais d'autres éléments sont également ajoutés pour affiner les propriétés de l'alliage.

Méthodes de fabrication

Comme indiqué précédemment, l'aluminium corroyé est l'aluminium qui est façonné à l'état solide par des procédés tels que le laminage pour produire des feuilles, l'extrusion de l'aluminium pour produire des profilés ou le forgeage pour produire des formes tridimensionnelles. L'aluminium coulé, quant à lui, est formé dans la cavité d'un moule lorsqu'il est à l'état fondu et se solidifie ensuite. Cette différence de fabrication a des implications sur les formes réalisables, la structure du grain du métal et les propriétés de résistance.

Structure et performance

Au sens large, les alliages d'aluminium corroyés sont plus solides, plus ductiles et présentent une meilleure résistance à la fatigue que les alliages coulés des mêmes éléments, en raison des processus de travail mécanique qui permettent d'aligner la structure des grains. Bien que les alliages coulés puissent être plus faibles, ils conviennent mieux aux applications qui exigent une plus grande complexité géométrique en raison de leur capacité à être conçus avec des caractéristiques complexes.

Série aluminium forgé

L'aluminium corroyé a une désignation distincte à quatre chiffres qui indique son principal élément d'alliage. Les séries d'alliages d'aluminium corroyé sont les suivantes :

1000

La série 1xxx est constituée d'aluminium commercialement pur avec une teneur en aluminium de 99% et plus. Ces alliages présentent une résistance élevée à la corrosion, mais aussi une faible résistance à la corrosion dans certains environnements. Ils présentent une conductivité thermique et électrique élevée, conviennent aux dissipateurs thermiques et sont faciles à travailler. Ils sont couramment utilisés dans des applications où ces caractéristiques sont souhaitables, par exemple dans les équipements de traitement chimique, les conducteurs électriques et les garnitures décoratives.

Deux nuances remarquables de cette série sont : 1050, qui présente une ductilité très élevée et est utilisée dans des applications telles que les pièces creuses filées. La nuance 1100, qui se caractérise par une bonne aptitude au formage et à la soudure dans la plupart des utilisations générales de la tôle et de la tôle à ailettes.

2000

Le cuivre est le principal élément d'alliage de la série 2xxx, présent en quantité comprise entre 2,2% et 6,8%. Ces alliages sont généralement caractérisés par une résistance élevée et sont normalement aptes au traitement thermique. Ils sont largement utilisés dans l'industrie aérospatiale et dans d'autres domaines où les contraintes mécaniques sont élevées. Néanmoins, ils sont moins résistants à la corrosion que les autres alliages d'aluminium.

L'un des meilleurs exemples de cette série est l'aluminium 2024, connu pour son rapport résistance/poids élevé qui en fait un matériau populaire pour les fuselages d'avions, les équipements marins et les cadres d'ailes. Une autre nuance importante est le 2017, qui est également largement utilisé dans les applications aérospatiales pour des pièces telles que les rivets et les éléments structurels, pour lesquels une bonne usinabilité est également souhaitable.

3000

Le manganèse est le principal élément d'alliage de la série 3xxx, qui est généralement incorporé dans une fourchette de 0,3-1,5%. Ces alliages ont une bonne formabilité et une résistance modérée, supérieure d'environ 20% à celle de la série 1xxx. Ils sont largement utilisés dans des applications telles que la tôlerie générale, les ustensiles de cuisine et les récipients sous pression.

L'une des qualités les plus populaires de cette série est l'aluminium 3003, qui présente une bonne formabilité et une bonne résistance à la corrosion. Il est largement utilisé pour les toitures, les bardages et la fabrication de réservoirs de stockage de produits chimiques, ainsi que pour diverses applications architecturales, mais il ne supporte pas les températures élevées.

4000

Le silicium est le principal élément d'alliage de la série 4xxx, avec une teneur comprise entre 3,6% et 13,5%. Ces alliages ont une faible plage de fusion et de bonnes caractéristiques d'écoulement, ce qui les rend idéaux pour le soudage et le brasage. Ils sont également utilisés dans la construction et comme métaux d'apport pour le soudage.

Certains des alliages de cette série se caractérisent également par une bonne solidité et une bonne résistance à l'usure. L'un des plus populaires est l'aluminium 4043, qui est utilisé comme produit d'apport pour le soudage de l'aluminium et convient particulièrement aux alliages de base pouvant être traités thermiquement.

5000

Dans la série 5xxx, le magnésium est l'élément d'alliage le plus important, qui peut être présent dans une quantité comprise entre 0,05% et 5,5%. Ces alliages sont très soudables et présentent une bonne résistance à la corrosion, en particulier dans les applications marines. Ils ont une résistance à la traction moyenne à élevée et sont utilisés dans les navires, les réservoirs de stockage et les appareils à pression.

Parmi les alliages de la série 5000, l'aluminium 5052 est particulièrement résistant et facilement soudable, c'est pourquoi il est utilisé dans la construction de navires et d'appareils à pression. En outre, l'aluminium 5083 possède une résistance beaucoup plus élevée et d'excellentes performances dans des conditions corrosives sévères, souvent utilisées dans la construction navale et les structures offshore.

6000

La série 6xxx contient du magnésium (0,35% à 1,5%) et du silicium (0,2% à 1,8%) comme principaux éléments d'alliage. Ils peuvent être traités thermiquement et possèdent une bonne résistance mécanique, une bonne soudabilité, une bonne aptitude au traitement thermique et une bonne résistance à la corrosion. Ils sont utilisés dans les extrusions architecturales, les cadres de bicyclettes, les pièces automobiles et les meubles.

L'aluminium 6061 est l'un des alliages les plus populaires de cette série en raison de ses caractéristiques satisfaisantes et de son large éventail d'applications dans diverses structures. Il est accompagné de l'aluminium 6063 qui est utilisé dans les applications d'extrusion d'aluminium où la finition de la surface est importante, par exemple dans les fenêtres et les cadres de porte.

7000

Le zinc est le principal élément d'alliage de la série 7xxx, qui se situe généralement entre 0,8 et 8,2% et peut être combiné avec du magnésium et du cuivre. Il s'agit des alliages d'aluminium les plus résistants et ils sont largement utilisés dans les constructions aérospatiales, les équipements sportifs et les équipements militaires. Sa résistance à la corrosion peut être inférieure à celle d'autres séries.

L'aluminium 7075 est bien connu pour ses performances et est utilisé dans les raccords et les engrenages des avions. Un autre alliage, l'aluminium 7050, présente une résistance similaire à celle de l'aluminium 7075, mais une meilleure résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui le rend idéal pour les revêtements de fuselage et les panneaux d'aile des avions.

Série aluminium moulé

Le même schéma s'applique aux alliages d'aluminium coulé, où le premier chiffre représente l'élément d'alliage principal. Voici les différentes séries d'alliages d'aluminium coulé :

1xx.x

Comme les séries 1000 corroyées, les séries 1xx.x coulées sont principalement des alliages d'aluminium coulés qui présentent une bonne résistance à la corrosion et une bonne conductivité électrique, mais une faible résistance mécanique.

Ils sont largement utilisés dans les équipements chimiques et dans les applications où une conductivité électrique ou thermique élevée est nécessaire, par exemple dans certaines pièces électriques et dans les échangeurs de chaleur.

2xx.x

Le cuivre est le principal élément d'alliage de cette série. Ces alliages peuvent atteindre une résistance élevée et sont fréquemment soumis à des traitements thermiques. Mais dans la plupart des cas, ils ne sont pas très résistants à la corrosion. La haute résistance atteinte dans cette série les rend idéaux pour les pièces moulées structurelles dans les applications aérospatiales et militaires où la résistance est un facteur critique, bien que la plupart de ces applications requièrent des revêtements de protection dans divers environnements.

3xx.x

Ces alliages contiennent du silicium avec du cuivre et/ou du magnésium. Ils sont faciles à couler, solides et très résistants à la corrosion. En raison de sa grande coulabilité, cette série est idéale pour les pièces moulées complexes utilisées dans les pièces automobiles telles que les blocs moteurs et les culasses, ainsi que dans les pièces structurelles de l'aérospatiale.

4xx.x

Le silicium est le principal élément d'alliage de la série 4xx.x. Ces alliages se caractérisent par leurs bonnes caractéristiques d'écoulement pendant la coulée et sont couramment utilisés dans des applications qui exigent une résistance élevée à l'usure. Grâce à leur résistance à l'usure, ils sont idéaux pour les pistons, les corps de pompe et d'autres pièces sujettes à des forces de frottement.

5xx.x

Le magnésium est le principal ajout dans la série 5xx.x. Ces alliages sont connus pour leur bonne fluidité de coulée et sont souvent utilisés dans des applications qui requièrent une bonne résistance à l'usure. En raison de leur résistance à l'usure, ils sont utilisés dans les pistons, les corps de pompe et d'autres pièces exposées à des charges de frottement.

7xx.x

Ces alliages sont résistants et peuvent être traités thermiquement pour améliorer leurs caractéristiques. En raison de leur résistance, ils sont utilisés dans les pièces structurelles de l'aérospatiale et dans les pièces soumises à de fortes contraintes où le poids est un facteur important.

8xx.x

L'étain est le principal élément d'alliage dans la série de pièces coulées 8xx.x. Ces pièces sont moins fréquemment utilisées et sont principalement destinées à des applications de roulements spéciaux en raison de leurs bonnes propriétés de roulement et de leur résistance à l'usure.

Types d'aluminium populaires pour la fabrication de tôles

Lors du choix de l'aluminium pour la fabrication de tôles, certaines nuances d'alliages d'aluminium sont plus adaptées en termes de solidité, de résistance à la corrosion et de facilité de mise en œuvre. Voici quelques-unes des nuances d'aluminium les plus fréquemment utilisées dans la fabrication :

Note : Toutes les données fournies sont basées sur des valeurs de référence typiques et les performances réelles peuvent varier en fonction du lot de l'alliage, du processus de fabrication et de l'environnement d'exploitation. Il est conseillé de se référer aux informations les plus récentes de la documentation technique du fournisseur.

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Facteurs clés pour choisir le bon type d'aluminium

Le choix du bon alliage d'aluminium est essentiel pour garantir des performances optimales et la durabilité du produit final. Voici les facteurs clés à prendre en compte :

Exigences en matière de candidature

L'utilisation prévue du produit final est le facteur le plus important. Si le produit doit être exposé à des environnements difficiles, tels que l'humidité ou les produits chimiques, le choix d'un alliage résistant à la corrosion est crucial. Pour les applications nécessitant une grande résistance, telles que l'aérospatiale ou l'automobile, les alliages présentant une résistance à la traction plus élevée, comme le 6061 ou le 7075, sont idéaux.

Rapport résistance/poids

L'aluminium est connu pour son excellent rapport résistance/poids, mais celui-ci varie selon les alliages. Pour les industries telles que l'aérospatiale, où la réduction du poids est essentielle, les alliages tels que le 7075 sont privilégiés en raison de leur rapport résistance/poids élevé. Les applications générales peuvent nécessiter des alliages tels que le 6061, qui équilibrent la résistance et le poids, offrant ainsi des solutions rentables sans sacrifier les performances.

Résistance à la corrosion

Si l'application implique une exposition à l'humidité, aux produits chimiques ou à l'eau salée, le choix d'un alliage présentant une bonne résistance à la corrosion est primordial. Les alliages comme le 5052 de la série 5xxx offrent une excellente résistance à l'eau salée et aux produits chimiques agressifs, ce qui les rend parfaits pour les environnements marins. Pour les applications extérieures moins exigeantes, les alliages comme les 1xxx et 3xxx offrent une bonne résistance à la corrosion à un coût moindre.

Usinabilité

La facilité avec laquelle un alliage d'aluminium peut être usiné est un facteur important pour les processus de fabrication. Les alliages comme le 6061 sont faciles à usiner, ce qui permet une production précise et plus rapide. En revanche, les alliages à haute résistance tels que le 7075 nécessitent des outils et des techniques spécialisés, ce qui peut entraîner une augmentation des coûts de fabrication.

Soudabilité

Si le soudage est nécessaire pour le processus de fabrication, la soudabilité de l'alliage d'aluminium choisi est cruciale. Certains alliages, comme les séries 5xxx et 6xxx, sont généralement considérés comme plus soudables que d'autres, comme les séries 2xxx et 7xxx, qui peuvent nécessiter des procédures de soudage spécifiques.

Coût

Le coût des différents alliages d'aluminium peut varier considérablement. Il est essentiel de trouver un équilibre entre les caractéristiques de performance requises et les contraintes budgétaires du projet. Si les alliages tels que le 7075 offrent des performances élevées, ils coûtent cher. Si le budget est une préoccupation, des alliages comme le 1100 ou le 3003 peuvent être mieux adaptés à des applications moins exigeantes.

Normes industrielles

En fonction de l'industrie, il peut y avoir des réglementations ou des normes spécifiques auxquelles le matériau doit répondre. Par exemple, les composants aérospatiaux nécessitent des alliages conformes à des réglementations strictes afin de garantir la sécurité et les performances.

Conclusion

Le monde de l'aluminium est bien plus nuancé qu'un simple coup d'œil ne pourrait le laisser penser. Des alliages utilisés dans les produits de tous les jours aux matériaux haute performance qui équipent les avions, chaque qualité d'aluminium possède une combinaison unique de propriétés qui la rend adaptée à des applications spécifiques.

Pour faire le bon choix, il est essentiel de comprendre les différences entre l'aluminium corroyé et l'aluminium moulé, ainsi que les caractéristiques uniques des différentes séries et qualités d'alliage. Les ingénieurs et les fabricants qui connaissent ces propriétés peuvent prendre des décisions plus éclairées et s'assurer que l'aluminium sélectionné répond aux exigences spécifiques du projet. Cette connaissance permet d'obtenir des produits de meilleure qualité et des processus de production plus efficaces.