Aluminium : définition et propriétés

Un métal léger que son propre oxyde protège

L'aluminium doit sa carrière industrielle à deux caractéristiques qui vont rarement ensemble. Il est léger, avec une masse volumique de 2 700 kg/m³, soit près de trois fois moins que l'acier. Et sa résistance à la corrosion ne demande aucun traitement préalable, parce qu'il s'oxyde instantanément au contact de l'air. La couche d'oxyde formée, l'alumine, mesure quelques nanomètres seulement, adhère parfaitement au métal et se reconstitue si on la raye. Un matériau qui se répare tout seul.

Cette passivation naturelle a des limites qu'il faut connaître avant de spécifier une pièce. La couche protectrice est stable entre pH 4 et pH 9 environ, elle se dissout en milieu très acide comme en milieu très basique. Le contact direct avec un métal plus noble, cuivre ou acier inoxydable, crée une pile galvanique et corrode l'aluminium par piqûres. L'anodisation épaissit volontairement l'alumine jusqu'à 5 à 25 µm pour aller au-delà de ce que la nature fournit, et ce procédé est décrit dans anodisation de l'aluminium et de ses alliages.

Les autres propriétés de l'aluminium découlent de sa structure cubique à faces centrées. Le métal reste ductile jusqu'aux très basses températures, là où l'acier ordinaire devient fragile, ce qui lui vaut sa place dans les réservoirs cryogéniques. Il conduit bien l'électricité, à 62 % du cuivre en valeur relative, mais pour une masse trois fois moindre, si bien qu'à performance électrique égale un câble en aluminium pèse deux fois moins lourd. Les lignes haute tension en ont tiré les conséquences depuis longtemps.

De la bauxite au lingot, deux procédés en série

Aucun gisement ne livre d'aluminium métallique. Le métal est trop réactif pour exister à l'état natif, il faut l'arracher à son oxyde, et cette contrainte gouverne toute l'économie de la filière.

La production se fait en deux étapes distinctes. Le procédé Bayer attaque d'abord la bauxite à la soude sous pression pour en extraire l'alumine pure, en laissant un résidu ferrugineux, les boues rouges, dont le stockage reste le principal passif environnemental de la filière. L'électrolyse Hall-Héroult réduit ensuite cette alumine, dissoute dans un bain de cryolithe fondue vers 960 °C, en aluminium liquide qui se dépose au fond de la cuve. Il faut à peu près quatre tonnes de bauxite pour deux tonnes d'alumine, qui donnent une tonne de métal. L'ensemble du processus est détaillé dans métallurgie extractive de l'aluminium, dont la seconde partie traite l'étape d'électrolyse proprement dite.

L'électrolyse est le poste qui commande tout. Elle consomme 13 à 15 kWh par kilogramme produit, ce qui fait de l'aluminium primaire un métal dont le prix de revient dépend d'abord du coût local de l'électricité. Les usines se sont installées là où l'énergie est abondante, en Islande, au Québec, au Moyen-Orient, plutôt que près des mines ou des clients. C'est aussi ce qui donne au recyclage un avantage sans équivalent chez les autres métaux, puisque refondre de l'aluminium ne demande qu'environ 5 % de l'énergie nécessaire à sa production primaire. La refusion des alliages et ses contraintes de qualité sont traitées dans fusion des alliages d'aluminium.

Le métal pur ne sert presque à rien, les alliages font le travail

À l'état non allié, l'aluminium plafonne autour de 50 MPa en limite d'élasticité. C'est mou. On l'utilise tel quel pour ses propriétés fonctionnelles plutôt que mécaniques, en conducteur électrique, en feuille d'emballage, en échangeur thermique, et ces nuances font l'objet de aluminium non allié. Dès qu'une pièce doit porter un effort, il faut passer aux alliages, dont les meilleurs dépassent 500 MPa et rivalisent avec des aciers de construction pour un tiers de la masse.

La classification internationale range les alliages corroyés en huit séries, désignées par un nombre de quatre chiffres dont le premier indique l'élément d'addition principal.

• La série 1000 rassemble l'aluminium non allié à plus de 99 %, choisi pour sa conductivité et sa mise en forme facile.
• Les séries 2000 au cuivre et 7000 au zinc atteignent les résistances les plus élevées, au prix d'une sensibilité à la corrosion qui impose souvent un placage ou une peinture. L'aéronautique les emploie massivement.
• Les séries 5000 au magnésium et 6000 au magnésium et silicium constituent le gros des utilisations courantes, du bardage au profilé de menuiserie, parce qu'elles soudent bien et tiennent en atmosphère marine.
• Les séries 3000 au manganèse et 8000 couvrent l'emballage, la canette et le feuillard.

Le durcissement s'obtient par deux voies qu'on peut combiner. L'écrouissage déforme le métal à froid et multiplie les dislocations, mécanisme exposé dans écrouissage d'alliages d'aluminium. Le durcissement structural, réservé aux séries 2000, 6000 et 7000, fait précipiter des phases nanométriques par un traitement thermique en trois temps, mise en solution, trempe, puis revenu. Les valeurs mécaniques par nuance et par état sont rassemblées dans propriétés de l'aluminium et des alliages d'aluminium corroyés, complétées côté métallurgie par aluminium et alliages d'aluminium corroyés et par alliages d'aluminium de transformation.

Un point de conception mérite d'être rappelé, parce qu'il piège régulièrement les bureaux d'études venus de l'acier. L'aluminium n'a pas de limite d'endurance en fatigue. Là où un acier soumis à une contrainte suffisamment faible tient un nombre indéfini de cycles, un alliage d'aluminium finit toujours par rompre, et le dimensionnement se fait donc pour une durée de vie visée, jamais pour l'infini. Sa résistance se calcule en cycles.

Où le métal se retrouve, du fuselage à la fenêtre

Le transport absorbe la plus grande part de la consommation, et pour une raison simple qui tient en un calcul de masse embarquée. Chaque kilogramme retiré d'un véhicule allège la structure qui le porte, ce qui autorise à en retirer davantage. L'automobile a suivi l'aéronautique avec un décalage de plusieurs décennies, d'abord sur les pièces de fonderie, culasses et carters, puis sur les capots et les caisses. Les techniques d'assemblage ont dû suivre, le soudage de l'aluminium demandant de casser la couche d'alumine réfractaire qui fond à 2 050 °C alors que le métal fond à 660 °C.

Le bâtiment vient ensuite, essentiellement en menuiserie et en enveloppe, un usage traité dans l'aluminium et, pour le cas particulier des ouvrants, dans fenêtres en aluminium. Le profilé extrudé y règne parce que l'aluminium se laisse filer en sections complexes que l'acier ne permet pas, avec des ruptures de pont thermique intégrées directement au profil.

Les emballages constituent le troisième débouché. La canette de boisson, le blister pharmaceutique et le complexe carton-aluminium exploitent tous la même propriété, l'imperméabilité totale d'une feuille de quelques micromètres à l'oxygène, à l'humidité et à la lumière. Aucun polymère n'offre cette barrière à cette épaisseur. Le papier aluminium de cuisine relève de la même famille, laminé à 10 ou 15 µm, et c'est la forme sous laquelle le grand public rencontre le métal au quotidien.

Reste un usage qu'on oublie souvent alors qu'il est partout, la fermeture de bâtiment. Volets roulants, volets battants, portails et garde-corps se sont largement convertis au profilé laqué, pour une raison d'entretien plus que de performance. Au cours des trente dernières années, la maîtrise du thermolaquage a fait disparaître l'objection esthétique qui limitait le métal aux teintes anodisées, et l'efficacité énergétique des menuiseries s'est jouée sur la rupture de pont thermique plutôt que sur le choix du matériau.

L'histoire industrielle du métal tient d'ailleurs en un siècle et demi. En 1855, l'aluminium était exposé à Paris à côté des joyaux de la Couronne, valant plus cher que l'argent, faute de procédé d'extraction viable. Le développement de l'électrolyse par Hall et Héroult en 1886, puis du procédé Bayer en 1887, a fait chuter son prix de plusieurs ordres de grandeur en une vingtaine d'années. Peu de matériaux ont connu une bascule aussi brutale, et elle explique pourquoi l'aluminium n'a aucune tradition artisanale ancienne derrière lui, contrairement au fer ou au cuivre.

Sur la question de l'exposition, il faut distinguer ce qui relève du métal massif et ce qui relève de ses composés solubles, car les travaux scientifiques ne portent pas sur le même objet. L'Autorité européenne de sécurité des aliments a fixé une dose hebdomadaire tolérable de 1 mg par kilogramme de poids corporel pour l'aluminium alimentaire, et le règlement européen sur les matériaux au contact des denrées encadre l'usage des ustensiles et des feuilles de cuisson, principalement vis-à-vis des préparations acides ou salées qui attaquent la couche de surface. Le Centre international de recherche sur le cancer classe pour sa part la production d'aluminium en groupe 1, classement qui vise les procédés d'électrolyse et les hydrocarbures aromatiques polycycliques également émis par les anodes, et non le métal lui-même. Les données toxicologiques et les valeurs limites professionnelles décrivent donc un risque de poste de travail, dans un environnement industriel précis, et n'ont pas de rapport avec la consommation d'un produit fini contenant le métal sous forme massive.