Comment et pourquoi des éléments d'alliage sont ajoutés à l'aluminium

Connaissez vos alliages : les clés d'une soudure aluminium réussie

L'aluminium pur n'est généralement pas utilisé pour les applications structurelles. Pour produire de l'aluminium d'une résistance adéquate pour la fabrication de composants structuraux, il faut y ajouter d'autres éléments. Alors, quels éléments peut-on ajouter à ces alliages d'aluminium ? L'ajout de ces éléments a-t-il un effet sur les performances du matériau ? Dans quelles applications ces alliages sont-ils utilisés ?

Pourquoi l'aluminium pur ne convient pas aux applications structurelles

Il est très rare que l'aluminium pur (série d'alliages 1xxx) soit choisi pour la fabrication structurelle en raison de ses caractéristiques de résistance. Bien que les séries 1xxx soient en aluminium presque pur, elles réagissent à l'écrouissage, notamment si elles contiennent d'importantes quantités d'impuretés telles que du fer et du silicium. Cependant, même à l'état écroui, les alliages de la série 1xxx ont une résistance très faible par rapport aux autres séries d'alliages d'aluminium. Lorsque les alliages de la série 1xxx sont choisis pour une application structurelle, ils sont le plus souvent choisis pour leur résistance supérieure à la corrosion et/ou leur conductivité électrique élevée. Les applications les plus courantes pour les alliages de la série 1xxx sont les feuilles d'aluminium, les barres omnibus électriques, les fils de métallisation, les réservoirs de produits chimiques et les systèmes de canalisation.

Comment et pourquoi des éléments d'alliage sont ajoutés à l'aluminium

L'ajout d'éléments d'alliage à l'aluminium est la principale méthode utilisée pour produire une sélection de différents matériaux pouvant être utilisés dans un large éventail d'applications structurelles.

Si nous considérons les sept séries d'alliages d'aluminium utilisées pour les alliages forgés, nous pouvons immédiatement identifier les principaux éléments d'alliage utilisés pour produire chacune des séries d'alliages. Nous pouvons alors aller plus loin et examiner les effets de chacun de ces éléments sur l'aluminium. Nous avons également ajouté d'autres éléments couramment utilisés et leurs effets sur l'aluminium.

Séries	Élément d'alliage primaire
1xxx	Aluminium - 99,00 % ou plus
2xxx	Cuivre
3xxx	Manganèse
4xxx	Silicium
5xxx	Magnésium
6xxx	Magnésium et silicium
7xxx	Zinc

Les principaux effets des éléments d'alliage dans l'aluminium sont les suivants :

Cuivre (Cu) 2xxx –Les alliages d'aluminium-cuivre contiennent généralement entre 2 et 10 % de cuivre, avec de plus petits ajouts d'autres éléments. Le cuivre améliore considérablement la résistance et favorise le durcissement par précipitation. L'introduction de cuivre dans l'aluminium peut également réduire la ductilité et la résistance à la corrosion. Le risque de fissuration par solidification des alliages aluminium-cuivre est augmenté. Par conséquent, certains de ces alliages peuvent constituer les alliages d'aluminium les plus difficiles à souder. Ces alliages comprennent certains des alliages d'aluminium les plus résistants pouvant être traités thermiquement. Les applications les plus courantes des alliages de la série 2xxx sont l'aérospatiale, les véhicules militaires et les ailerons de fusée.

Manganèse (Mn) 3xxx – L'ajout de manganèse à l'aluminium augmente quelque peu la résistance grâce au renforcement de la solution. Il améliore également l'écrouissage sans réduire sensiblement la ductilité ou la résistance à la corrosion. Il s'agit de matériaux non traitables thermiquement à résistance modérée qui conservent leur résistance à des températures élevées et sont rarement utilisés pour des applications structurelles majeures. Les applications les plus courantes des alliages de la série 3xxx sont les ustensiles de cuisine, les radiateurs, les condenseurs de climatisation, les évaporateurs, les échangeurs de chaleur et les systèmes de tuyauterie associés.

Silicium (Si) 4xxx –L'ajout de silicium à l'aluminium réduit la température de fusion et améliore la fluidité. Le silicium seul dans l'aluminium produit un alliage non traitable thermiquement. Cependant, en combinaison avec le magnésium, il produit un alliage durcissable par précipitation et pouvant être traité thermiquement. Par conséquent, la série 4xxx inclut des alliages pouvant ou non être traités thermiquement. Les ajouts de silicium à l'aluminium sont couramment utilisés pour la fabrication de pièces moulées. Les applications les plus courantes des alliages de la série 4xxx sont les fils d'apport pour le soudage par fusion et le brasage fort de l'aluminium.

Magnésium (Mg) 5xxx -L'ajout de magnésium à l'aluminium augmente la résistance grâce au renforcement de la solution solide et améliore leur capacité d'écrouissage. Ces alliages sont les alliages d'aluminium non traitables thermiquement les plus résistants et sont donc largement utilisés pour les applications structurelles. Les alliages de la série 5xxx sont produits principalement sous forme de feuilles et de plaques et seulement occasionnellement sous forme d'extrusions. La raison en est que ces alliages tendent à durcir rapidement et sont donc difficiles et coûteux à extruder. Certaines applications courantes des alliages de la série 5xxx sont les carrosseries de camions et de trains, les bâtiments, les véhicules blindés, la construction de navires et de bateaux, les chimiquiers, les réservoirs sous pression et les réservoirs cryogéniques.

Magnésium et silicium (Mg₂Si) 6xxx – L'ajout de magnésium et de silicium à l'aluminium produit le composé magnésium-siliciure (Mg₂Si). La formation de ce composé confère à la série 6xxx sa capacité de traitement thermique. Les alliages de la série 6xxx sont facilement et économiquement extrudés. Pour cette raison, les alliages 6xxx se retrouvent le plus souvent dans une vaste sélection de formes extrudées. Ces alliages forment un système complémentaire important avec l'alliage de la série 5xxx. L'alliage de la série 5xxx est utilisé sous forme de plaques, tandis que les alliages de la série 6xxx sont souvent assemblés à la plaque sous une forme extrudée. Les alliages de la série 6xxx se retrouvent souvent dans les applications de mains courantes, d'arbres de transmission, de sections de châssis automobile, de cadres de vélo, de meubles de jardin tubulaires, d'échafaudages, de raidisseurs et d'entretoises utilisés sur les camions, les bateaux et de nombreuses autres fabrications structurelles.

Zinc (Zn) 7xxx –L'ajout de zinc à l'aluminium (en conjonction avec certains autres éléments, principalement du magnésium et/ou du cuivre) produit des alliages d'aluminium pouvant être traités thermiquement de la plus haute résistance. Le zinc augmente sensiblement la résistance et permet le durcissement par précipitation. Certains de ces alliages peuvent être sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte et, pour cette raison, ne sont généralement pas soudés par fusion. D'autres alliages de cette série sont souvent soudés par fusion avec d'excellents résultats. Certaines des applications courantes des alliages de la série 7xxx sont l'aérospatiale, les véhicules blindés, les battes de baseball et les cadres de vélo.

Fer (Fe) –Le fer est l'impureté la plus courante présente dans l'aluminium et est intentionnellement ajouté à certains alliages purs (série 1xxx) pour augmenter légèrement la résistance.

Chrome (Cr) –Le chrome est ajouté à l'aluminium pour contrôler la structure des grains et empêcher la croissance des grains dans les alliages aluminium-magnésium. Il contribue également à prévenir la recristallisation dans les alliages aluminium-magnésium-silicium ou aluminium-magnésium-zinc pendant le traitement thermique. Le chrome réduit également la sensibilité à la corrosion sous contrainte et améliore la ténacité.

Nickel (Ni) – Le nickel est ajouté aux alliages aluminium-cuivre et aluminium-silicium pour améliorer la dureté et la résistance à température élevée et pour réduire le coefficient de dilatation.

Titane (Ti) – Le titane est ajouté à l'aluminium principalement comme affineur du grain. L'effet d'affinage du grain du titane est renforcé si du bore est présent dans la masse fondue ou s'il est ajouté en tant qu'alliage mère contenant du bore largement combiné sous forme de TiB2. Le titane est un ajout courant au fil d'apport de soudure d'aluminium car il affine la structure de la soudure et contribue à prévenir les fissures dans les soudures.

Zirconium (Zr) – Le zirconium est ajouté à l'aluminium pour former un fin précipité de particules intermétalliques qui inhibent la recristallisation.

Lithium (Li) -L'ajout de lithium à l'aluminium peut augmenter considérablement la résistance et, le module de Young fournit un durcissement par précipitation et diminue la densité.

Plomb (Pb) et bismuth (Bi) – Du plomb et du bismuth sont ajoutés à l'aluminium pour favoriser la formation de copeaux et améliorer l'usinabilité. Ces alliages d'usinage libre ne sont souvent pas soudables, car le plomb et le bismuth produisent des constituants à faible point de fusion et peuvent produire de mauvaises propriétés mécaniques et/ou une sensibilité élevée aux fissures lors de la solidification.

Résumé

De nombreux alliages d'aluminium sont aujourd'hui utilisés dans l'industrie. Plus de 400 alliages corroyés et plus de 200 alliages pour fonderie sont actuellement enregistrés auprès de l'Aluminium Association. Certes, l'une des considérations les plus importantes rencontrées lors du soudage de l'aluminium est l'identification du type d'alliage à base d'aluminium à souder. Si le type de matériau de base du composant à souder n'est pas disponible auprès d'une source fiable, il peut être difficile de sélectionner un mode opératoire de soudage approprié.

Des directives générales précisent le type d'aluminium le plus souvent utilisé dans différentes applications, telles que celles mentionnées ci-dessus. Cependant, il est très important d'être conscient que des hypothèses incorrectes quant à la chimie d'un alliage d'aluminium peuvent entraîner des effets très graves sur les performances de la soudure. Il est fortement recommandé qu'une identification positive du type d'aluminium soit effectuée et que des modes opératoires de soudage soient développés et testés afin de vérifier la performance de la soudure.