Métaux & alliages

Le fer, la fonte, l'acier et les métaux sont des termes souvent confondus : l'acier est un alliage de fer avec d'autres éléments chimiques, principalement du carbone.

Les métaux

Les substances métalliques pures, les métaux, sont constituées d'atomes d'un seul élément chimique. Ce sont des éléments chimiques simples. Ils sont pour la plupart brillants, opaques et mous. Ce sont de bons conducteurs électriques et thermiques. Ils sont issus de minerais, eux-même extraits des roches et des sols exploités par les mines, ou sont issus des filières de recyclage.

Le développement de nombreuses industries telles que l'électronique, les technologies liées à la communication et l'aéronautique ont conduit à une augmentation considérable de la consommation des métaux. Afin d’économiser les ressources naturelles et l'énergie destinée à leur exploitation, et pour prévenir certaines pénuries préssenties, il est primordial de recycler les métaux.

Quelques métaux

Fe

Le fer

Blanc argenté avec des reflets gris, le fer est très abondant sur notre planète. Il est l'un des éléments les plus utilisés par nos industries. Il n'est pratiquement pas utilisé à l'état pur mais nous le rencontrons tous les jours sous forme d'alliages : les aciers. Son point de fusion est à 1538°C. Sa masse volumique est de 7,87g/cm³.

Cu

Le cuivre

Rouge orangé, le cuivre est le premier métal à avoir été utilisé par l’homme. Il est mou, très malléable, et possède une exceptionnelle conductivité thermique et électrique. Le cuivre est utilisé pour les fils électriques qu'il faut pouvoir déformer et tordre. Son point de fusion est à 1085°C. Sa masse volumique est de 8,96g/cm³.

Al

L'aluminium

De couleur argentée, sa remarquable légèreté, sa résistance à la corrosion et sa malléabilité font de l’aluminium un matériau très utilisé. Il n'a été découvert que dans le courant du 19eme siècle. Il fut exposé comme « nouveau métal » lors de l'Exposition universelle de Paris de 1855. Son point de fusion est à 660°C. Sa masse volumique est de 2,7g/cm³ : c'est l'élément le plus léger de cette liste.

Au

L'or

L'or est de coloration jaune. Métal précieux par excellence, il est symbole de pouvoir et de richesse. Il est utilisé en bijouterie mais aussi en électronique et en informatique. Il peut s'appliquer en feuilles très fines, autant pour des raisons esthétiques que pour protéger les éléments qu’il recouvre. L’art du travail de l’or est l’orfèvrerie. Son point de fusion est à 1064°C. Sa masse volumique est de 19,3g/cm³ : c'est l'élément le plus lourd de cette liste.

Ag

L'argent

L’argent est blanc, très réfléchissant, malléable et ductile. Autrefois, il était utilisé pour frapper de la monnaie et le développement des films photographiques. Aujourd'hui, il est surtout utilisé dans les domaines de la bijouterie et de l'électronique. Son point de fusion est à 960°C. Sa masse volumique est de 10,5g/cm³.

Pb

Le plomb

Le plomb a une teinte gris bleuâtre. Il fut très utilisé par l’homme à cause de sa facilité d'extraction, parce qu’il est très malléable et parce que son point de fusion est bas. Très toxique même à faibles doses, il a des effets graves et irréversibles sur les organismes vivants ! Son utilisation est aujourd’hui encadrée. Méfiez-vous de sa présence dans les anciennes vaisselles, tuyauteries, et peintures. Son point de fusion est à 327°C. Sa masse volumique est de 11,35g/cm³.

Zn

Le zinc

Le zinc est brillant et gris bleuté. Durant l’antiquité, il a été principalement utilisé dans des alliages. De nos jours, la moitié du zinc employé dans le monde sert à protéger le fer de la corrosion (via les procédés du zingage ou de la galvanisation). Sous forme de tôles, il sert d’alternative au plomb pour les éléments de toiture. Son point de fusion est à 419°C. Sa masse volumique est de 7,13g/cm³.

Sn

L'étain

Gris et peu brillant par rapport aux autres métaux, l'étain est connu depuis l'antiquité. Il servait à protéger la vaisselle de la corrosion et pour préparer le bronze. Il est utile pour le brasage. Les soldats « de plomb » sont en fait fondus en étain ou en alliage avec du plomb. Il n'est pas toxique, mais reste souvent associé à des traces de plomb. Son point de fusion est à 232°C. Sa masse volumique varie entre 5,77g/cm³ et 7,29g/cm³.

Les alliages

Les métaux sont rarement utilisés purs mais plutôt sous forme d'alliages. Il s'agit de combinaisons de métaux entre eux ou avec d’autres éléments chimiques. Par ces associations on obtient des matières moins fragiles, plus dures et plus résistantes à la corrosion que les éléments chimiques simples qui les composent. Il existe une multitude d'alliages possibles.

On peut modifier les propriétés d'un alliage (sa dureté, sa ductilité, sa limite d'élasticité, ...) en faisant varier les proportions de ses composants, mais aussi en contrôlant les températures de chauffe et les vitesses de refroidissement lors de sa production.

Alliages ferreux (à base de fer)

Fe+Ca

L'acier

L'acier est un alliage très courant. Il est constitué principalement de fer et de carbone, dans des proportions comprises entre 0,02% et 2% en masse pour le carbone. Il a de très bonnes propriétés mécaniques, il est résistant à la déformation et aux chocs. Son coût de fabrication est intéressant : Le minerai de fer est abondant et sa production est assez simple.

Le principal inconvénient de l'acier est sa mauvaise résistance à la corrosion. Il s'oxyde rapidement et il faut protéger sa surface pour empêcher l'apparition de rouille qui entraînerait un effritement progressif de la matière. Aussi, il est difficilement moulable, à l'inverse de la fonte. Enfin, il est lourd. Dans les secteurs aéronautique, automobile, et de la construction, il est de plus en plus remplacé par des matériaux composites plus légers.

L’acier appelé « doux » correspond aux aciers courants de construction (profilés, tôles, ...) qui ont de faibles teneurs en carbone.

Fe+Ca

La fonte

La fonte est un alliage de fer et de carbone dont la teneur en masse pour le carbone est supérieure à 2%. Le grand avantage de la fonte est sa coulabilité. Elle est donc utilisée pour la production industrielle de pièces moulées. Par contre, les possibilités de soudage de la fonte ne sont pas aussi étendues que celles de l'acier. Une fois démoulées, les pièces en fonte sont peu transformées.

Fe+Ca+Cr+...

L'acier inoxydable

L’acier inoxydable est un acier qui a la particularité de ne pas se dégrader en rouille. Il contient plus de 10,5% de chrome et d’autres éléments dont du nickel, du molybdène ou du titane. Il en existe plusieurs familles : austénitiques, martensitiques, ferritiques, ... Les aciers inoxydables austénitiques qui sont les plus courants ont la particularité de ne pas être magnétiques.

Son nom est trompeur car c’est en fait une fine couche d’oxyde de chrome, et donc d’oxydation, qui le protège. Cette couche protectrice est appelée couche passive. Après une opération d’usinage ou de soudage, la couche de protection est endommagée et doit être recrée. Cette opération s’appelle la passivation. A l’aide d’acides, on recrée une couche d’oxyde de chrome qui protègera à nouveau l’acier.

L’acier inoxydable est plus dur que l’acier doux. Son usinage nécessite des outils plus résistants. Son prix d’achat est plus élevé. Il varie en fonction de la valeur boursière des éléments qui le compose. Il a donc aussi plus de valeur auprès des filières de recyclage.

Fe+Ca+...

L'acier auto-patinable — Type "Corten"

Comme l’acier inoxydable, l’acier auto-patinable est une variante d'acier qui présente une meilleure résistance à la corrosion. Les éléments chimiques qui complètent l'alliage d'acier, tels que le phosphore, le cuivre, le chrome, le nickel ou le molybdène n'empêchent pas l'apparition de la rouille mais retiennent celle-ci de s'effriter.

Il ne présente visuellement pas de différences avec l’acier doux. La couche superficielle de rouille apparaîtra progressivement comme une corrosion normale suite à l'exposition du matériaux aux intempéries. L’apparition de cette couche peut être accélérée avec des acides.

Les propriétés et l'aspect rouillé de l'acier auto-patinable sont très appréciés par les créateurs d’art urbain.

Alliages à base de cuivre

Cu+Zc

Le laiton

Le laiton est un alliage à base de cuivre et de zinc. Il est jaunes, très ductile et malléable. C’est l’alliage de cuivre le plus utilisé. Très facile à usiner, on l’utilise pour réaliser des tuyaux, des pièces de fonderie, des petites pièces mécaniques, de la visserie, de la robinetterie, et des instruments de précision. Les instruments de musique de la famille des cuivres (saxophones, trompettes, ...) sont en général fabriqués en laiton. Son aspect doré le rend très apprécié en décoration.

Cu+Sn

Le bronze

Autrefois, le bronze était un nom générique qui englobait tous les alliages de cuivre. Aujourd'hui, son sens se réduit aux alliages de cuivre et d'étain. Il est utilisé pour réaliser des ouvrages d’art, tels que des cloches ou des statues. Il est aussi utilisé dans des contextes fonctionnels pour sa bonne résistance à l’usure et parce qu'il s'usine facilement.