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close this bookFormation Professionelle en Afrique: Technologie Generale pour Construction Métallique - Tome 2
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27. Métallurgie

I. Sidérurgie

La métallurgie est l'art d'extraire les métaux de leur minerai, de les affiner et de les travailler.

La sidérurgie concerne les mêmes opérations, appliquées uniquement aux métaux ferreux.


Fabrication de la fonte et de l'acier

1. Métaux ferreux:

On distingue trois métaux ferreux principaux:

Le fer (Fe) L'acier (Ac) La fonte (Ft)

Tous trois proviennent du même minerai: le minerai de fer.

Ce qui les différencie, est uniquement leur teneur en carbone (C).

* Le fer est un métal lourd, sa masse volumique est de 7,9 kg/dm3.

A l'état brut, il est gris-foncé-bleuté; après usinage, il devient blanc-gris. Sa température de fusion est de 1535 °C. Il se" laisse très bien usiner, forger et souder.

A l'état pur (fer doux) ol n'est pas utilisé pour la construction, car il est trop mou.

Il est apprécié, par contre, dans l'industrie électrique pour ses bonnes qualités magnétiques.

* L'acier de construction (dit aussi: acier doux) est utilisé largement en construction métallique. Il contient environ 0,15% de carbone, (teneur maximum: 0,4% C).

* L'acier à outils est dur. Il contient généralement 1 % de carbone. (teneur minimum: 0,5%, maximum: 1,5% C).

* La fonte est cassante. Sa masse volumique est de 7,2 kg/dm3. Elle contient de 2,5 à 4,5% de carbone.

2. Minerais de fer:

Les minerais de-fer sont des roches calaires ou siliceuses, qui contiennent entre 20 et 70% de métal. Les principaux minerais sont des oxydes de fer (combinaison de fer et d'oxygène), agglomérés avec la gangue rocheuse.

Ce sont:

La magnétite, l'hématite rouge, l'hématite brune.

* Traitement du minerai

Le minerai sera concassé, broyé et lavé. Un trieur électromagnétique choisira ensuite les morceaux contenant du métal.

Le minerai sera ensuite conduit vers le haut fourneau qui aura pour mission d'en extraire le métal en le séparant de sa gangue et en éliminant l'oxygène contenu dans l'oxyde de fer.

Il n'est pratiquement pas possible de transformer directement de grandes quantités de minerai, en fer ou en acier. Il faut, pour commencer, le transformer en fonte. D'autres appareils, transformeront ensuite cette fonte en acier. (voir procédé Midrex).

3. Fabrication de la fonte:

Le haut fourneau

C'est une construction en briques réfractaires, renforcée par une ossature métallique. Sa hauteur peut aller de 30 a 80 mètres. Au bas, le creuset peut avoir un diamètre de 8 à 14 mètres.


Schéma des transformations dans le haut fourneau

Une soufflerie amène de l'air comprimé chaud, enrichi de gaz naturel et/ou de mazout pulvérisé.

Un haut fourneau peut produire suivant ses dimensions, de 2 000 tonnes 10 000 tonnes de fonte par jour.

Le chargement se fait par ruban transporteur, amenant par couches successives:

- Le minerai de fer, granulé, pour être transformé en fonte.

- Le coke pour le chauffage et pour la réduction de l'oxyde de fer.

- Les fondants pour faciliter la fusion du minerai (calcaire et/ou argile).

Le laitier qui sera obtenu par la fusion des fondants et de la roche, sera utilisé pour la fabrication de: ciment de laitier, laine de laitier pour isolation, ballast, briques, etc.

Fonctionnement du haut fourneau:

La charge est introduite par l'ouverture supérieure (gueulard) et descend petit à petit jusqu'au foyer.

Pendant la descente, elle va subir diverses transformations physiques et chimiques:

* La réduction: l'oxyde de fer perd son oxygène, il devient du fer. Cet oxygène se combine avec l'oxyde de carbone (CO) qui se dégage du coke. (entre 400° et 900 ° C).

* La carburation: le fer se combine avec le carbone, il devient de la fonte (entre 900° et 1200°C, 2,5 à 5% de carbone s'allient au fer).

* La fusion: la température de 1 600 ° C amène la fusion de la fonte, qui s'écoule dans le creuset.

* La séparation: en devenant liquide, le métal se sépare de la roche. Celle-ci, plus légère, surnage sur la fonte et prend le nom de laitier.

Pour obtenir une tonne de fonte, il faut 2 à 4 tonnes de minerai.

* La coulée à lieu toutes les 4 ou 5 heures.

En wagon-poche de 150 tonnes, pour la fonte blanche qui sera amenée directement a l'aciérie pour sa transformation en acier.

Sur une chaîne à coquilles, pour la fonte grise, pour sa solidification en lingots. Ces lingots seront livrés aux fonderies pour être transformés en fonte de machine, pour moulage.

* Le four électrique à fonte

Ce four, plus bas et plus large, est utilisé dans les pays producteurs d'électricité. Trois électrodes d'un diamètre de 0,8 à 1,8 mètre, disposées en triangle, font le même travail que le haut fourneau, mais en économisant 60% de coke.


Four électrique à fonte

* Les dimensions et autres valeurs indiquées ci-dessous, le sont à titre indicatif. Il n'y a pas lieu de les mémoriser, car elles évoluent constamment.


Chaîne a coquilles pour lingots (gueuses), en fonte grise brute après la coulée du haut fourneau

4. Produits du haut fourneau:

Le métal obtenu à la sortie du haut fourneau, se nomme la fonte brute. Cette fonte (grise ou blanche) est appelée aussi: fonte de première fusion.

En plus du métal, elle contient d'autres éléments, que l'on appelle les composants de la fonte.

* Composants de la fonte

Le fer pur, base de tous les métaux ferreux.

Le carbone, la teneur en carbone sert à classer les métaux ferreux.

Le carbone combiné est mélangé chimiquement au métal (fonte blanche ou acier) en lui donnant une grande résistance et un grain plus fin. C'est ce que l'on désigne par carbure de fer.

Le carbone graphité est incorporé au métal sous formes de paillettes (fonte grise) en lui donnant un grain grossier et peu résistant

Le manganèse favorise la formation de carbone combiné ® fonte blanche.

Le silicium favorise la formation de carbone graphité ® fonte grise.

Le phosphore et le soufre sont des éléments nuisibles.

* Différentes sortes de fonte

La fonte blanche est destinée à la fabrication des aciers (voir 5.) Composition: 2,3 à 3% carbone, 1,5% manganèse, 0,6% silicium, 2 % phosphore.

Masse volumique: 7,4 kg/dm3, point de fusion: 1200°C.

Elle est très difficile à usiner et peu fluide à la coulée.

La fonte grise est destinée à la fabrication, par moulage, de bâtis de machines, bloc-moteurs, etc.

Composition: 3 à 4,5% carbone, 1,5 à 5% silicium, 1% Mn, 0,08% p.

Masse volumique: 7,4 kg/dm3, point de fusion: 1200°C.

Elle devra passer par une deuxième fusion, dans un four appelé le cubilot qui permettra l'obtention de qualités de fontes bien déterminées, ainsi que de fontes alliées.

Cette fonte est facile à usiner, fragile et fluide à la coulée.

Elle conviendra très bien pour le moulage.

5. Fabrication de l'acier (Affinage de la fonte):

Principe: Transformer la fonte blanche liquide en acier en lui enlevant le carbone qu'elle contient (2,3 à 3%).

Remettre en fin d'opération, juste la quantité désirée, par exemple, pour l'acier de construction Ac 37,2: 0,15%:

Ajouter éventuellement des éléments d'alliage, par ex: Ni, Cr, W, etc.

Méthodes de fabrication

Par soufflage à l'air comprime: procédé Thomas (ou Bessemer)
Par soufflage à l'oxygène: procédés LD, OLP, Kaldo.
Au four a sole: procédé Martin (dit aussi Siemens-Martin)
Au four électrique: four à arc Héroult, ou four à induction.

* Acier Thomas, convertisseur Thomas (fond percé).
Forme: récipient vertical, cylindrique, en acier, garnissage réfracta ire.
Charge: fonte phosphoreuse liquide, chaux pour absorber le phosphore.
Affinage par oxydation, de l'air comprimé, éventuellement enrichi d'oxygène, est injecté depuis dessous par une série de trous. En traversant la fonte liquide, il brûle au passage le carbone, le silicium et le phosphore. Durée du soufflage 20 minutes (la température s'élève de 500 °C).
Addition finale de carbone, sous forme de fonte de ferro-manganèse.
Produit: environ 70 tonnes d'acier pour construction métallique.

* Acier à l'oxygène: convertisseurs à oxygène.
Forme: récipient vertical semblable au convertisseur Thomas, (non percé).
Charge: fonte liquide, pour être décarburée, chaux pour absorber le phosphore, ferraille (30 à 45%) pour dilution du carbone.
Affinage par oxydation, une lance injecte de l'oxygène depuis le haut. Durée du soufflage 30 minutes.
Addition finale de carbone et éventuellement de Ni, Cr, W, Co, etc.
Produit: 120 à 180 tonnes d'acier de qualité supérieure.
Procédés:

LD (Linz-Donawitz) pour fontes pauvres en phosphore.
OLP (Oxygène-Lance-Poudre) pour fontes riches en phosphore. De la chaux en poudre est mélangée au jet d'oxygène.
Kaldo (Kalling-Domnarvet) pour fontes riches en phosphore. Fonctionne en position oblique, avec un mouvement rotatif.

* Acier Martin au four Martin, à sole, pour refusion de ferrailles.
Forme: sole (cuvette) rectangulaire en briques réfractaires.
Capacité: environ 200 tonnes de fonte, très étalée.
Charge: Fonte liquide (ou solide). Ferraille 60 à 80 % chaux.
Chauffage: brûleurs à gaz, oxygène, mazout pulvérisé, durée 4 à 10 heures.
Affinage par oxydation, oxyde de fer présent dans ferrailles et battitures.
Affinage par dilution, les déchets d'acier doux, présents en majorité, diminuent la teneur en carbone de la masse en fusion.
Addition finale de ferro-alliages, prélèvement d'échantillons de métal pour confection d'éprouvettes de contrôle, en cours de l'opération.

* Acier électrique au four à arc électrique Héroult.
Forme: cylindre large et bas, en acier, basculant. capacité 0,5 à 180 tonnes, durée 2 à 12 heures.
Charge: ferraille, minerai, chaux et fondants.
Chauffage: 3 électrodes de graphite (jusqu'à 600 mm de diamètre).
Affinage par oxydation et dilution, comme au four Martin.
Injections: de chaux, par lance à oxygène pour déphosphatation de poudre de graphite, par air comprime pour recarburation.
Produits: aciers au carbone, aciers alliés, Ac rapide, Ac inoxydable.

* Four électrique a induction, capacité jusqu'à 20 tonnes, basculant.
Forme: creuset cylindrique en matière réfractaire, entouré d'un serpentin en tube de cuivre conduisant un fort courant alternatif et l'eau de refroidissement.
Chauffage: un fort courant secondaire est crée (induit) dans la charge. L'échauffement produit amène la fusion.
Produits: alliages spéciaux de haute qualité, (acier, métaux non ferreux).

* Production de fer a partir du minerai, procédé Midrex

C'est un des nouveaux procédés sidérurgiques, dits «par réduction directe».

Il permet d'obtenir le fer à partir du minerai, en évitant la phase, jusqu'ici obligatoire, de sa transformation en fonte brute.

Le minerai de fer granulé est amené par ruban transporteur dans un four cylindrique vertical.

Il passe par une zone de réduction où il est exposé à la flamme d'un gaz réducteur à base d'hydrogène et d'oxyde de carbone, tiré du gaz naturel.

Les granulés (oxyde de fer) perdent leur oxygène et deviennent. des grains de fer spongieux, sans fusion et sans modification de forme. La température dans la zone de réduction atteint environ 800 ° C.

Les grains de fer passent ensuite par une zone de refroidissement à environ 50 °C, obtenu par circulation de gaz froid, qui est située dans la partie inférieure du four.

Ils tombent alors, sans interruption, sur un ruban transporteur qui les conduit à l'aciérie, pour être fondus, dosés en carbone ou alliés.

6. Façonnage de l'acier:

* Coulée

L'acier liquide est versé dans une poche de coulée, et de là dans des lingotières en fonte, légèrement coniques, ouvertes en haut et en bas.

Coulée en source: les lingotières sont disposées par groupes de 6 à 8 autour d'un conduit d'alimentation central.

L'acier passant par ce conduit, remplit les lingotières à partir du fond, ce qui évite un brassage et concentre les impuretés dans le haut du lingot. La section des lingotières est carrée, ronde ou rectangulaire selon la destination des lingots (barres, tubes ou tôles).

Coulée continue: l'acier est coulé dans un moule sans fond, en cuivre refroidi à l'eau.

Il se solidifie au passage, ressort sous forme de barre carrée, ronde ou rectangulaire. Cette barre continue, est sectionnée en longueurs égales par un chalumeau coupeur.

Ce procédé accélère la fabrication des profils moyens et petits.


Figure

* Forgeage

C'est un procédé de façonnage par chocs, au marteau-pilon ou par pression, à la presse hydraulique beaucoup plus puissante.

Le but du forgeage est d'améliorer la qualité du métal en lui donnant une structure fibreuse plus résistante que la structure granuleuse obtenue lors de la coulée du lingot.

Le forgeage permet de donner à la pièce, une forme et des dimensions se rapprochant de ses cotes définitives, ce qui diminuera d'autant le travail à effectuer par enlèvement de copeaux. Il est prévu pour la fabrication de grosses pièces: arbres et vilebrequins de navires, turbines, etc.


Forgeage

Le forgeage à la main sera traité lors des cours de forge et de connaissances professionnelles.

* Laminage, matriçage, étirage, tréfilage, filage, roulage, pliage etc. (voir le chapitre «Production des pièces mécaniques par formage»).

II. Qualités des métaux (définitions)

1. Efforts (tensions, contraintes) appliqués aux métaux:

Traction: force agissant dans le sens de l'axe d'une pièce et tendant à l'allonger, (p.ex.: charge suspendue à un câble).

Compression: force tendant à écraser la pièce.

Flexion: force agissant perpendiculairement à l'axe de la pièce et la faisant plier (ex.: poutre sur 2 appuis, montant de barrière).

Flambage: force agissant dans le sens de l'axe d'une pièce longue, tendant à la comprimer et à la faire fléchir (ex.: colonne).

Cisaillement: force tendant à sectionner une pièce perpendiculairement à son axe (p.ex.; rivets, boulons).

Torsion: force tendant à tordre La pièce autour de son axe (p.ex.: barres de torsion pour véhicules, fers torsadés pour grilles).

Ecrouissage: effet du martelage ou de l'étirage à froid.

2. Qualités demandées aux métaux, pour répondre aux besoins de l'usinage ou de l'utilisation des pièces à fabriquer:

Ténacité: résistance à la rupture, par traction ou par pénétration.

Dureté: résistance aux actions mécaniques et à l'usure.

Malléabilité: capacité de déformation à froid ou à chaud (p.ex.: forgeage, pliage, laminage en feuille).

Ductilité: capacité de déformation par étirage, en fils.

Elasticité: capacité de reprendre la forme primitive dès qu'un effort de traction, compression ou flexion cesse d'agir (p.ex.: ressorts).

Plasticité: propriété inverse de l'élasticité, la matière conserve la nouvelle forme acquise (p.ex.: pâte à modeler).

Soudabilité: propriété de certains métaux, de se souder à eux-mêmes par simple contact, lorsque leur surface est portée à la température de fusion (p.ex.: le fer, lors du soudage au feu, aux gaz, à l'arc).

Conductibilité: qui laisse bien passer la chaleur et l'électricité.

Homogénéité: répartition régulière des éléments d'un alliage.

Hétérogénéité: propriété inverse de l'homogénéité (répart. irrégulière).

Coulabilité: ou fluidité, propriété d'un métal en fusion d'épouser exactement la forme du moule, dans lequel on l'introduit.

Masse volumique: rapport des poids, entre 1 dm3 d'une matière et

1 dm3 d'eau, 1 dm3 d'eau

1 l

1 kg;

1 dm3 de fer pèse 7,85 kg.



III. Alliages

Définition: les alliages sont produits par la réunion, par fusion, de deux ou de plusieurs métaux.

Les métaux purs sont mous et peut résistants. En les alliant on obtiendra de nouveaux matériaux, par exemple plus légers et plus résistants, mieux adaptés aux besoins de la construction métallique.

Avantages des alliages:

- augmenter: dureté, ténacité, élasticité
- améliorer: malléabilité, soudabilité, coulabilité
- améliorer les possibilités d'usinage;
- obtenir une résistance à la corrosion;
- obtenir des barres profilées (filées ou étirées) ou des pièces fondues ayant des dimensions très précises, ainsi qu'une surface lisse;
- faciliter le palissage, ainsi que l'oxydation anodique;
- modifier la conductibilité thermique, ou électrique;
- modifier: couleur, magnétisme, masse volumique;
- abaisser le point de fusion, modifier le coefficient de dilatation;
- supprimer la porosité, améliorer l'étanchéité.

Alliages d'acier:

1. Aciers de construction:

- Aciers pauvres en carbone (acier doux, fer doux), moins de 0,06% C, ne conservent pas l'aimantation. Pour appareils électriques.

- Aciers de construction, contiennent 0,15 à 0,2%C. Aciers étirés (aciers marchands blancs), surface lisse, dimensions précises (± 1/10 mm), différents degrés de dureté a choix.

- Aciers faiblement alliés, résistants aux intempéries: Cor-Ten, Patinax, L'acier Cor-Ten (corrosion-résistance, tensile strength) a une bonne résistance à la corrosion, et à la traction: 500N/mm2, semblable à un acier 52-3.
Le patinax 370 N/mm2 est semblable à l'acier 37-2. L'acier Cor-Ten contient: 0,1 à 0,2%C, plus un peu de: Ni, Cu, Cr, Mn, Al, V, Si, P, S. Le tout ne dépassant pas 3%.

Une oxydation se produira en surface, formant une couche protectrice de sulfates de cuivre et de nickel, donnant une teinte: brun-violacé. Cette couche met deux ans pour se stabiliser (capter le ruissellement). Ces aciers sont livrables dans presque toutes les formes courantes de profils, tôles, tubes, fils, vis, boulons, rivets, électrodes.
Utilisation: charpente métallique; ponts, pylônes, téléphériques, etc. L'usage en architecture: façades, vitrages, etc., doit être très modéré.

- Aciers fortement alliés, (au-dessous de 5%), dits: aciers inoxydables qualité courante pour construction métallique: 18/8 = 18% Cr, 8% Ni, 0,07% C, qualité résistante aux acides: 18/12/2,7 Mo (molybdène), 0,03% C.

- Aciers de (pour) cémentation, alliés ou non, avec Cr, Ni, Mo, V.

- Aciers d'amélioration, destinés à la trempe, pour organes de machines, roulements à billes, engrenages, bielles, etc., alliés ou non avec Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si.

2. Aciers à outils:

- Aciers au carbone

* mi durs 0,5-0,6% C pour marteaux, arbres, clavettes, visserie ordinaire;

* durs 0,6-0,8% C, résistance 650-800 N/mm2, boulons 5.6, 8.8;

* extra durs 0,8-1,5% C, résistance 800-1 000 N/mm2, pour outils de coupe, burins, poinçons, lame de cisaille, mèches, tarauds, ressorts, câbles, boulons HR 10.9 et 12.9, etc.

- Aciers alliés, semblables aux aciers de construction alliés:

* pour le travail à chaud, par ex.: outils de forge:

* pour le travail à froid: limes, tarauds, mèches, fraises, etc.;

* au manganèse: résiste à l'usure, vilebrequins, concasseurs;

* au silicium: ressorts, soupapes de moteurs.

- Aciers rapides (à coupe rapide)

* au tungstène: 18% tungstène, 0-1% Mo, 1-2% V, 0-10% cobalt;

* au molybdène: 2-10% tungstène, 4-10% Molybdène, 1-3% V, 0-10% Co, dureté et résistance à l'usure élevée, résistent au revenu jusqu'à 600 °C, permettent des vitesses de coupe très élevées.
Utilisation: mèches, fraises, tarauds, lames de scies, scies circulaires.

3. Métal dur (Stellram, Widia, etc.):

- Métal dur fritte (Carbures métalliques): plaquettes pour outils de coupe, brasées à l'extrémité des mèches, burins de tour, etc. Composition variable, par ex.: 80% carbure de tungstène, 5% carbure de tantale, 7% carbure de titane, 8 % de cobalt, pas de fer. Ces métaux sont réduits en poudre, mélangés, comprimés, puis frittes (agglomérés) au four à 1800°C. Le cobalt fond et sert de liant. Dureté élevée, résistant au revenu jusqu'à 700°, vitesse de coupe jusqu'à 120 m/min l'acier 37.Pt fus. tungstène (W) = 3500 °C.

- Métal dur fondu: (Stellite) outils coulés, baguettes pour rechargement de surfaces au chalumeau.

- Céramiques: plaquettes interchangeables pour outils de coupe, en oxyde d'aluminium pur fritte. Dureté maximum, résistance au revenu jusqu'à 1200°C.

- Ordre de dureté croissante et de ténacité décroissante: Ac au carbone, Ac rapide, Stellite, carbure métallique, Céramiques, Diamant.

- Ordre de résistance croissante à la chaleur: Ac au carbone 250 °, Ac rapide 600°, Carbures métalliques 700°, Céramiques 1200°C.

4. Fontes de fer (Ft):

- Fonte grise, à graphite lamellaire, pour machines. Composition; Fe, 2,5 à 4,5% C, 0,5 à 5% Si, 0,3 à 1,5% Mn.

- Fonte malléable, Ft mal, à base de fonte blanche (voir le chap. Fonderie)

* à cœur noir, à graphite nodulaire;
* blanche, décarburée, pour pièces minces.

- Fonte sphéroîdale, avec magnésium, Haute résistance.

- Fontes spéciales, alliées, Ni, Cr, Mo, Si, Mn.

5. Acier coulé:

- Ac clé, (fonte d'acier) 0,2 à 0,4% C, + év. alliages pour pièces épaisses, jusqu'à 100 tonnes, turbines.

IV. Métaux non ferreux

On distingue les métaux non ferreux lourds (poids spécifique dépassant 4 kg/dm3) dont les principaux sont: cuivre, zinc, étain, plomb, et les métaux non ferreux légers ou plus simplement métaux légers (poids spécifique inférieur à 4 kg/dm3) qui sont: le magnésium et leurs alliages.

1. Le cuivre:

* Minerai: Cuprite, Chalcopyrite, Malachite.

* Métallurgie: le minerai est grillé puis affiné à chaud dans des fours.
Le métal obtenu contient 95% de cuivre.
Il passe alors à l'affinage électrolytique. Des plaques de cuivre brut sont suspendues dans un bain acidulé et reliées au pôle positif (anodes). Leur épaisseur est d'environ 4 cm.
Entre ces plaques on suspend une mince feuille de cuivre pur, reliée au pôle négatif (cathodes).
Par le passage du courant, l'anode se dissout et du cuivre pur se dépose sur la cathode.
On obtient ainsi du cuivre électrolytique pur à 99,98%.
Le cuivre est ensuite refondu en lingots pour être laminé. Il sera livré en qualité: dur, demi-dur et recuit, sous forme de: fil, barres (rond, carré, plat) tubes droits ou en rouleau, isolés ou nus, tôles et bandes pour toitures.

* Propriétés: densité 8,9 kg/dm3, point de fusion 1 080 °C, résistance à la traction: de 220 N/mm2 (recuit) a 490 N/mm2 (écroui) malléable, ductile, se laisse bien polir;
sa couleur rouge-clair à l'état poli passe au rouge-brun une fois patiné. Exposé à l'air humide, il se couvre d'une couche de «vert-de-gris» qui le protège contre la corrosion. Très bon conducteur de chaleur et d'électricité.

* Recuit: sous l'effet du martelage, le cuivre se durcit (écrouissage).
Pour le rendre à nouveau malléable, il faut le recuire, en le chauffant au rouge sombre (700°). On le plongera ensuite brusquement dans de l'eau froide.

* Utilisation: conduites et appareils pour eau, huile, électricité, etc., chaudronnerie, revêtements de toitures, chéneaux, motifs décoratifs, ustensiles, éléments d'alliages.

2. L'aluminium:

* Minerai: la bauxite (du nom du village des Baux, en provence, où il fut découvert en 1821).
La bauxite est un oxyde d'aluminium, mélangé avec de l'oxyde de fer (hématite rouge) qui lui donne sa teinte rouge-brun et de la silice.

* Métallurgie: se fait en deux étapes:

- la bauxite est transformée en alumine. Le minerai est concassé, moulu, traité à la soude caustique, puis calciné. On obtient ainsi une poudre blanche, l'alumine, (Al2O3) combinaison d'aluminium et d'oxygène. 4 tonnes de bauxite donnent 2 tonnes d'alumine.

- l'alumine est transformée en aluminium. Là poudre est versée dans un four à électrolyse, en forme de cuve. Une série d'électrodes en charbon plonge dans la cuve, (anodes). Un courant continu, positif, de 120000 ampères et d'une tension de 7 ou 8 volts les traverse.
Ce courant échauffe l'alumine à 1000° et la décompose à l'aide de cryolithe (sel d'aluminium et de sodium qui abaisse le point de fusion de l'alumine). L'aluminium se sépare de l'oxygène, se liquéfie et s'amasse au fond de la cuve.
2 tonnes d'alumine donnent 1 tonne d'aluminium.


Schéma d'une cuve d'électrolyse

La première étape se fait dans le pays producteur de bauxite, la France notamment.

La deuxième étape se fait en Suisse p.ex.

Une cuve d'électrolyse produit 700 kg d'aluminium par jour. Par année, il est produit en Suisse plus de 100 000 t d'aluminium.

Propriété: masse volumique 2,7 kg/dm3, point de fusion 658 °C, résistance à la traction: de 40 N/mm2 (recuit) à 130 N/mm2 (dur).
Léger et malléable, se laisse bien polir, sa couleur blanc-argenté se ternit un peu après une légère oxydation, bonne résistance à la corrosion. Bon conducteur de chaleur et d'électricité.

Recuit de l'aluminium et de ses alliages: se conformer aux prescriptions de l'usine. L'aluminium se comporte comme le cuivre.

Oxydation anodique: (voir le chapitre «Protection des métaux».

Livraison: l'aluminium est livré en feuilles laminées, en fil, et en barres profilées très variées, obtenues par filage à la filage à la presse.

Utilisation: menuiserie et charpente métallique, carrosserie, revêtements, conduites et appareils électriques, pièces moulées, et ustensiles de ménage.

L'aluminium étant plutôt mou, est généralement remplacé par ses alliages

La poudre d'aluminium est utilisée pour des peintures résistant à la chaleur et pour la confection de feux d'artifices.

Le papier d'aluminium, extra mince, sert à l'emballage de denrées alimentaires.

3. L'étain: Sn

Minerai: la cassitérite, masse volumique: 7,3 kg/dm3, point de fusion: 232 °C.
Utilisation: brasage tendre, étamage, élément d'alliage.

4. Le zinc: Zn

Minerai: la blende, masse volumique: 7,13 kg/dm3, point de fusion: 420 °C.
Utilisation: métallisation, élément d'alliage, composant pour peintures. Les vapeurs de zinc sont toxiques (fièvre des métaux), y prendre garde lors du soudage de pièce zinguées.

5. Le plomb: Pb

Minerai: la galénite, masse volumique: 11.34 kg/dm3, point de fusion: 327°C.
Utilisation: contre poids, mordaches, tubes, tôles, brasage tendre(+ Sn), métallisation, élément d'alliage, protection contre les rayons X et radio-actifs, composant pour minium de plomb. Ses vapeurs et son contact sont toxiques, antidote: le lait.

6. Le magnésium: Mg

Minerai: la dolomite, masse volumique: 1,74 kg/dm3, point de fusion: 650 °C.
Utilisation: élément d'alliage pour métaux légers, anode de protection électronégative, contre la corrosion; les copeaux s'enflamment facilement.

7. Autres métaux:

argent: pour brasage fort, contacts;
or: pour placage de motifs en fer forgé;
cadmium: métallisation fine

V. Alliages des métaux non ferreux

1. Alliages de cuivre-zinc Cu + Zn

* Laiton avec plomb: Lt 58 58 % Cu, 39 % Zn, 3 % Pb.
Utilisation: visserie, horlogerie, électricité.

* Laiton sans plomb: Lt 60 60% Cu, 40% Zn.
Utilisation: travaux forgés et estampés, ferrements, appareils.

* Laiton sans plomb: Lt 63 63% Cu, 37% Zn.
Utilisation: emboutissage profond, récipients, ressorts, robinetterie.

* Laitons spéciaux: Dorna, Inoxa; Selva, 55,5% Cu, 43% Zn, 1,5% Mn. Nombreuses variantes selon adjonction de: Sn, Si, Al, Ni, Fe.
Utilisation: menuiserie métallique, travaux d'art forgés, appareils.

* Maillechorts: Cu + Zn + Ni en moyenne: 62% Cu, 20% Zn, 18% Ni.
Utilisation: appareils pour l'industrie chimique et alimentaire, instruments de précision, de dessin, de musique, monnaies, menuiserie métallique.

* Métal d'apport pour brasage fort: Cu-Zn, + Si, Ag, Ni.

2. Alliages de cuivre-étain Cu + Sn

* Bronze Bz filé ou coulé, 90 à 95% Cu.
Utilisation: machines, coussinets, robinetterie, ressorts, cloches (Sn 22 %).

* Bronzes spéciaux: variantes avec adjonction de: Zn, Pb, P, Mn, Be.

- Cupro-aluminium, jusqu'à 14% Al (+ év. Fe ou Ni), haute résistance, roues dentées, vis sans fin, pistons, vannes.

- Cupro-silicium, 0,05% Si, 1 à 9% Sn, grande conductibilité, résiste à l'usure, fils téléphoniques (plus en plus fibre de verre), lignes de contact.

3. Alliages de cuivre-nickel Cu + Ni

* Cupro-nickel Cu + 15 à 30% Ni, 0,3 % Mn.
Utilisation: appareils divers, monnaies.

* Cupro-nickel au silicium, 97,5% Cu, 1,5% Ni, 0,5% Si.
Utilisation: visserie, éléments de machines.

4. Alliages de zinc

* Zinc au titane 99% Zn, 0,5 à 1% Cu. 0,1 à 0,2% Ti.
Utilisation: ferblanterie, chéneaux, descentes, revêtements.

5. Alliages d'aluminium métaux légers

Ce groupe est très complexe.

* Alliages non trempants: ne nécessitent pas de traitement thermique après l'exécution d'un ouvrage.

- Aluminium pur Al 99,5%, pour emboutissage et travail à la presse.
- Aluman Am Al-Mn, comme ci-dessous.
- Grinatal Gr, Al-Si 3,5.
- Peraluman Pe Al-Mg 1,5 à 5 %, travaux soudés en tôle, tubes cintrés.

* Alliages trempants: les pièces terminées (chauffage à env. 500°C et refroidissement à 30°C), puis mûries à froid, à l'air ou à. chaud entre 130 et 200°C pendant 0,5 à 24 heures.

- Extrudal Ed, Al-Mg-Si, résistance moyenne, qualité économique.
- Anticorodal Ad, Al-Mg-Si, haute résistance mécanique et à la corrosion.
- Avional Av, Al-Cu-Mg, très haute résistance mécanique.
- Unidur Ur, Al-Zn-Mg, haute résistance, pour construction soudées.
- Perunal Pu, AL-Zn-Mg-Cu, résistance mécanique maximum.
- Grinatal Gr, Al-Si5, pour tôles, prend une teinte grise à l'éloxage.

* Alliages de fonderie: trempants et non trempants

Tôles spéciales

- Alucolux, tôles thermolaquées, plates ou ondulées.
- Sinaplast, tôle 1 mm Al, recouverte de matière plastique décorative.
- Tôles à dessins, Al 1 mm, relief sur une face, cruex sur l'autre.
- Tôle striée Ad, relief lentilles, sur une face, 2 à 10 mm d'épaisseur.
- Tôles structurées, relief décoratif sur une face, 3 à 4 mm.
- Plaques en fonte d'aluminium, épaisses, surface brute, lisse ou ondulée.
- Alcast, éléments de façade, en fonte Al, structure et formes diverses.

Panneaux multicouches

- Alucobond, composé de 2 tôles Pe 0,5 mm, mat, thermolaqué ou anodisé, et d'une âme en polyéthilène, épaisseur totale 3 à 8 mm.
- Alucopan, composé de 2 tôles Am 0,7 mm, mat, thermolaqué ou anodisé, et d'une âme en mousse de Styropor (expansé), épaisseur de 12 a 100 mm.

6. Alliages de magnésium: Mg-Al, ou Mg-Mn, et G Mg-Al (fonte)

7. Degrés de dureté des alliages d'aluminium

02: recuit et dressé, 07: tendre, 12: écroui 1/4 dur, 14: écroui 1/2 dur, 26: écroui 3/4 dur 18: écroui dur.

8. Coefficient de dilatation pou une longueur de 10 m, et pour une différence de température de 10 degrés:

Acier:

1,2 mm,

Aluminium:

2,4 mm,

Cuivre:

1,7 mm,

Zinc:

2,9 mm,

Magnésium:

2,5 mm,

Etain:

2,7 mm,

Béton:

1,2 mm,

Eternité sec:

1,2 mm,

Verre:

0,8 mm,

Laiton:

1,9 mm,

Plomb:

2,9 mm,

PVC:

8 mm.

VI. Fonderie

1. Définition:

La fonderie est un procédé de fabrication qui permet de réaliser des pièces par coulée du métal dans un moule en sable ou métallique.

Métaux employés en fonderie:

Fonte de fer, acier coulé, bronze, laiton, aluminium, étain, etc. Le fer et le cuivre pur, ne sont pas assez fluides.

2. Fonderie de fonte:

La fonte grisé de première fusion, obtenue au haut fourneau, contient trop d'impuretés pour pouvoir être utilisée à la fabrication de pièces moulées. Pour l'affiner, il faut une deuxième fusion au moyen d'un cubilot, four cylindrique vertical à charbon, ou d'un four électrique.

3. Principe du moulage en sable:

A l'intérieur d'un bloc de sable bien serré, on réalise une cavité ayant la forme de la pièce désirée.

On introduit le métal, en fusion, par un trou de coulée. Après refroidissement le bloc métallique, dégagé par la destruction du moule en sable, constitue la pièce brute.

Cette pièce brute sera ensuite usinée: enlèvement des masselottes, (fonte solidifiée dans les trous de coulée) ébarbage, meulage, etc.

Le modèle:

Pour obtenir la cavité dans laquelle on coulera le métal, on utilise un modèle, généralement en bois, parfois en métal, qui a la forme et les dimensions de la pièce à fabriquer, avec les modifications suivantes:

Les dimensions du modèle seront légèrement plus grandes que celles de la pièce, pour tenir compte du retrait lors du refroidissement, soit: 1% pour la fonte, 1,5% pour le bronze, le laiton et l'aluminium et 2 % pour l'acier coulé.

Les faces du modèle seront légèrement coniques, afin d'en faciliter le démoulage. Cette conicité qui est de 2 % s'appelle la dépouille.

Si la pièce doit être usinée, on augmente les dimensions du modèle de 2 à 3 mm pour obtenir une sur épaisseur d'usinage et jusqu'à 6 mm pour les grasses pièces pour compenser et rattraper une déformation éventuelle.

Mètre à retrait:

Pour éviter le calcul des cotes modifiées, le menuisier-modeleur utilise un mètre spécial qui, pour la fonte, mesure 101 cm tout en étant divisé en 1000 parties égales.

Noyau:

Lorsque la pièce à mouler comporte des gorges, ou doit être creuse a la façon d'un tube ou d'une boîte, ces formes ne peuvent pas être reproduites sur le modèle. Elles en empêcheraient le démoulage. Ces formes seront données par un noyau de sable comprimé qui sera déposé dans le moule, une fois le modèle enlevé.

Portées à noyau:

Pour supporter le noyau et le maintenir en position correcte, il faut ménager dans le moule des logements en bonne place.

A cet effet lé modèle sera muni de parties en relief, appelées «portées à noyau», qui seront peintes en noir les différencier du modèle. Le modèle est peint en rouge s'il doit servir pour des pièces en fonte, en bleu pour de l'acier coulé et en vert pour de la fonte d'aluminium.

a châssis I
b châssis II
c modèle en 2 parties
d tenons pour assembler les deux demi-modèles
ef mandrins pour préparer:
h l'orifice de coulée et
i les évents
g portées a noyau et noyau en sable


Confection d'un moule

Moule:

Pour l'exécution du moule, on emploie un châssis en fonte ou en acier à deux compartiments superposés (châssis I et II).

Le modèle, parfois partagé en deux ou plusieurs parties, est déposé au fond du châssis I puis recouvert de sable.

On retourne le châssis I et l'on y superpose le châssis II. On dispose maintenant la deuxième moitié du modèle sur la première et l'on remplit le châssis II de sable que l'on comprime.

Les deux châssis sont ensuite séparés et le modèle enlevé délicatement. Puis le noyau de sable est mis en place sur les emplacements ménagés par le portées à noyau, et l'on creuse les orifices de coulée à travers le moule supérieur.

Les deux châssis sont à nouveau ajustés l'un sur l'autre et le moule est prêt pour la coulée. Il ne peut servir qu'une fois.

Le sable utilisé est un mélange de silice réfractaire à la chaleur et d'argile qui sert de liant et permet au moule de conserver l'empreinte laissée par le modèle. Certains moules sont parfois sèches et durcis dans un four.

Moulage mécanique: pour le moulage en série de pièces simples, on utilise des machines à mouler hydrauliques ou pneumatiques.

4. Moulage en moule métallique: en fonte ou en acier, pour métaux et alliages dont le point de fusion est bas, soit:

Moulage en coquille: le métal est versé dans le moule.

Moulage sous pression: le métal liquide est injecté au moyen d'une pompe (également utilise pour les matières plastiques).

5. Moulage à la cire perdue pour pièces très compliquées.

Le modèle crée en cire n'est pas démoulé. Il est détruit par fusion lors d'un chauffage du moule réfractaire. Le vide laissé, permet la coulée du métal.

6. Moulage centrifuge (ou moulage à la fronde), pour petites pièces. Le moule est fixé sur un bras pivotant. Sitôt la coulée effectuée, il est mis en rotation très rapide. La force centrifuge fait pénétrer le métal dans les plus petits recoins du moule (or).

VII. Protection des métaux

1. Les métaux sont soumis à des attaques d'origine chimique ou électrochimique, tendant à les détruire.

* Corrosion chimique

L'oxydation: le métal est attaqué par l'oxygène de l'air, en présence d'humidité.

Sur les métaux ferreux, cette attaque appelée rouille continue son action jusqu'à la destruction de la pièce.

Sur le cuivre et ses alliages, il se forme une couche appelée vert-de-gris, qui devient une pellicule protectrice pour le métal. (Couche parfois noir.)

Sur l'aluminium et ses alliages, l'oxydation naturelle forme également Une pellicule, invisible, mais qui n'est que partiellement protectrice.

La corrosion: le métal est rongé par divers éléments tels que l'eau, les acides, les bases, les sels ainsi que certains gaz. Cette attaque peut se produire en surface ou sous forme de piqûres.

* Corrosion électrochimique

Cette forme de corrosion renforce l'effet de la corrosion chimique. Elle se produit lorsque des métaux différents sont en contact, en présence d'eau salée ou acidulée, sueur, restes de produits décapants après le brasage, etc. Elle Se produit aussi à la surface, puis à l'intérieur d'un alliage, dont les constituants agissent les uns sur les autres. Par exemple les particules de carbone dans l'acier (cémentite) ou les particules de cuivre dans l'Avional (Al-Cu-Mg).


Corrosion électrochimique intercristalline

Ces métaux ou ces éléments, se comportent entre eux comme les constituants d'une pile. Un circuit électrique s'établit, créant un phénomène d'électrolyse.

Chaque métal a son propre potentiel électrochimique.


Figure

* Série électrochimique des métaux

La figure ci-dessous classe les métaux selon leur potentiel électrochimique en prennant pour base le magnésium. Plus la différence des tensions est grande entre deux métaux en contact, plus rapide sera la corrosion électrochimique.


Valeur de protection pour l'acier

Le métal ayant la tension la plus basse (dit actif) constitue le pôle négatif. Il se corrode et se détruit.

Le métal ayant la tension la plus haute (dit passif) constitue le pôle positif. Il est protégé et ne subit aucune modification.

Fe 1,44 volts

est corrodé en présence de Cu 2,22 volts


est protégé en présence de Zn 1,09 volts

Al 0,42 volts

est corrodé en présence de presque tous les métaux.

* Formes de corrosion

Piqûres: attaque locale, blessure dans une couche protectrice, attaque par les courants vagabonds (sur les conduites et citernes enterrées).

Corrosion par contact: dans le cas de métaux soudés par points, rivés ou vissés sans protection intermédiaire, etc.

Corrosion intercristalline: se produit entre les cristaux d'un métal en présence d'humidité.


Figure

2. Application d'une couche protectrice:

* Les peintures sont composées comme suit:

pigments: blancs ou colorés

à base d'oxyde de plomb:

minium rouge (clair ou foncé)

à base d'oxyde de fer:

antirouille rouge ou grise

à base de chromate de zinc:

antirouille jaune-vert (recommandé)

Liants: huile de lin, résine synthétique, nitrocellulose, gomme laque, caoutchouc chloré, goudron.

Diluants: essence de térébenthine et Sangajol pour les peintures à l'huile et pour le nettoyage des pinceaux.
Sangajol pour les peintures synthétiques.
Thiner pour les peintures nitrocellulosiques.
Alcool pour les vernis à l'alcool.

Siccatifs: produits servant à activer le séchage des peintures à l'huile.

Décapants: produits alcalins, soude caustique, ammoniaque.

Dissolvants: généralement à base de méthylène, d'alcools et de dérivés du goudron de houille (avec adjonction d'un épaississant pour freiner l'évaporation.

* Les peintures sont classées comme suit:

Peinture a l'huile, contient: huile de lin + essence de térébenthine + pigments blancs et colorés. S'applique au pinceau.

Peinture synthétique: la plus répandue actuellement contient: résine synthétique (longue en huile) + diluant + pigments blancs et colorés. S'applique au pinceau et au pistolet.

Peinture nitrocellulosique, contient: nitrocellulose + dilutif + pigments blancs et colorés. S'applique au pinceau et au pistolet, séchage instantané.

Vernis incolore: (transparent) gras, contient: résines naturelles (copal).
Synthétique, contient: résines artificielles.
Zapon, contient: nitrocellulose.
S'applique au pinceau et au pistolet; laisse voir l'aspect du métal brut ou poli, ou les veines du bois.

* Emaillage au four: produits synthétiques purs et thermolaquage. Eléments de façades, appareils divers, très bonne résistance, mais sensible aux chocs.

* Dangers: ces produits sont souvent toxiques, inflammables et explosifs, surtout s'ils sont étendus au pistolet. Il existe des installations d'aspiration et de filtrage. Bien veiller au nettoyage des mains.

* Protection provisoire des ouvrages: l'aluminium et l'acier inoxydable peuvent être recouverts par une pellicule de matière synthétique, étendue au pistolet et que l'on décolle à la fin du travail.

Huile antirouille: (Mobilarma 245) élimine l'humidité et les acides de transpiration, déposés sur le métal pendant l'usinage.

* Passivants: (Meta-Gel) donne une surface dégraissée, désoxydée et phosphatée, sur fer, fer zingué, métaux légers et bois (Noverox, Rust-oleum, etc.)
Acide phosphorique: forme une couche phosphatée.
Observer les prescription sur les toxiques.

3. Métallisation:

Le métal de base (objet a protéger) sera recouvert d'une fine couche d'un autre métal. Celui-ci devra être plus actif (négatif) que le métal de base. Par exemple: zinc, chrome, aluminium.(fig. 1) Le cadmium, nickel, étain et plomb bien que passifs (positifs) par rapport a l'acier peuvent être admis, mais la valeur de protection sera inférieure. Particulièrement en cas de blessure ou piqûre, car dès ce moment la corrosion électrochimique se fait au détriment du métal de base. Le nickel et l'étain protégeront très bien le cuivre et le laiton. (fig. 2)


Fig. 1 Piqûre sur tôle zinguée


Fig. 2 Piqûre sur tôle étamée

On constate sur la figure 1 que le zinc est sacrifié en faveur de l'acier, alors que l'acier est corrodé, sous l'étain, sur la fig. 2. On distingue 4 principaux procédés d'application d'une couche métallique.

L'immersion, la galvanisation, la projection, le plaquage.

* Procédé par immersion

Utilisé pour l'application de zinc et d'étain, il est désigné par:

Zingage à chaud (ou étamage à chaud, 280°).

Il consiste à plonger les pièces dans un bain de zinc en fusion (462°).

L'épaisseur de la couche de zinc atteint 80 à 100 microns (0,08 à 0,1 mm).

Dans la zone de contact entre la couche de zinc et l'acier ou la fonte, il se forme un alliage fer-zinc très solide.

On reconnaît le zingage à chaud aux dessins de la surface, dits: fleurs de zinc.

Le zingage à chaud est aussi désigné par: zingage au feu ou zingage au bain.

Préparation des surfaces:

Chez le constructeur: nettoyage des soudures, éliminer le laitier, enlever les traces de peinture, ne pas marquer les pièces avec des craies ou des couleurs non solubles dans l'eau. Dégraisser les pièces, avec des solvants appropriés (pas de Thinner!), évent. sablage où grenaillage.

A l'usine de zingage: décapage dans un bain d'acide chlorhydrique dilué; si nécessaire: dégraissage, sablage, élimination des peintures, aux frais du constructeur. Puis élimination des bavures et dressage après zingage.

Préparation technique:

Construire en fonction du zingage.

- Eviter des assemblages présentant des surfaces de contact larges, car le zinc ne pourra pas pénétrer aussi bien que l'acide entre elles, d'où risque accru de corrosion.

- Pour la même raison, ne pas donner à zinguer des travaux rivés ou soudés par recouvrement et par points. Les assemblages amovibles (vissés, boulonnés, etc.) seront envoyés démontés.

- Les pièces mobiles: rondelles, clavettes et les filetages doivent disposer d'un jeu suffisant pour compenser l'épaisseur du zingage.

- Les constructions tubulaires doivent être ouvertes aux deux extrémités ou être munies de trous permettant l'admission et l'écoulement du zinc, ainsi que la dilatation et la sortie de l'air (danger d'explosion du bain). Ces trous doivent être percés aussi près que possible des soudures et aussi peu visibles que possible. L'eau de ruissellement ne doit pas pouvoir pénétrer par ces orifices. Les diamètre des trous sera proportionné à celui des tubes: 6 mm pour les tubes jusqu'à 20 mm de diamètre, 8 mm jusqu'à 40 mm, 12 mm jusqu'à 60 mm (2").

- Les soudures effectuées avec des électrodes basiques provoquent une accumulation de zinc (renflement) à leur endroit. Si l'on veut éviter ce renflement (non nuisible, mais peu esthétique), il faut utiliser des électrodes à enrobage acide ou rutile à faible teneur en silicium.

- L'emploi simultané de matériaux différents pour un objet à zinguer, doit être absolument évité. Par exemple du matériel Usagé avec du matériel neuf, ou de la fonte avec du métal laminé. Cela provoque un aspect irrégulier et une mauvaise qualité du zingage. Car la durée du décapage, la température et le temps d'immersion sont différents pour chaque matériau. C'est le cas, particulièrement avec l'acier 52 dont les réaction sont très différentes de celles de l'acier 37, tant au contact avec l'acide, qu'au contact avec le zinc.

- Les boulons à haute résistance (HR) ne doivent jamais être zingués chaud, car leur résistance s'en trouverait fortement diminuée.

- Du fait de la température relativement élevée du bain de zinc (462°C), des déformations sont possibles, particulièrement sur les tôles. Elles proviennent entre autres du relâchement des tensions créées par le soudage et le dressage. Il faudra, dans certains cas, donner la préférence au zingage électrolytique.

* Variante Sendzimir: sitôt passée dans le laminoir Sendzimir à rouleaux multiples, la bande de tôle plonge, de façon continue, dans un bain de zinc. En sortant, le zinc est égalisé en couche mince: de 20 à 50 microns (0,02 à 0,05 mm) par un jet d'air chaud comprimé, émis par une série de buses. Ces tôles peuvent être pliées, agrafées et embouties. Une addition de 0,1 à 0,2% d'aluminium, améliore la résistance au pliage de la couche de zinc et lui donne un aspect plus brillant (zingage en continu).

* Protection supplémentaire

La durée de la protection donnée par le zingage, dépend de l'épaisseur de la couche de zinc, ainsi que de l'agressivité du milieu ambiant. Ainsi une couche de 100 microns (0,1 mm) durera: 50 ans dans une atmosphère campagnarde, 35 ans dans une atmosphère maritime et seulement 15 ans dans une atmosphère industrielle.

D'autre part, la couche sera plus mince pour les articles qui doivent rester souples, comme les fils de fer, les treillis et les tôles minces.

Moyennant une préparation du fond, la protection peut être renforcée par l'application sur le zinc d'un émail spécial (procédé Duplex), lequel améliore aussi l'aspect esthétique.

Pour des ouvrages très exposés à la corrosion: pylônes, tunnels, stations d'épuration, etc., on obtiendra une protection supérieure par l'application de résines epoxi à haute élasticité permanente et grande résistance à l'abrasion (usure). Procédé Imeritex.

* Procédé par galvanisation

C'est un procédé de métallisation à froid, utilisé pour l'application d'une fine couche de: zinc, cadmium, chrome, nickel, cuivre, étain, or et argent, a l'aide de courant électrique continu et de sels du métal de recouvrement choisi, (électrolyte).

Les termes: galvanisé, galvanisation, sont employés très souvent, à tort, pour désigner le zingage à chaud. Risques de confusion, lors des commandes.

L'industrie donne la préférence à l'expression: zingage électrolytique, ainsi qu'aux désignations choisies par les zingueries pour leurs propres procédés: Promatisation, Zintec; etc.

Zingage électrolytique procédés «Promat» «Zintec», etc.

Electrolyte: un bassin contient une solution de sels de zinc, dans une eau tempérée.

Anode: une ou plusieurs plaques de zinc, reliées au pôle positif, sont suspendues sur le pourtour et au centre du bassin.

Cathode: le ou les objets à recouvrir sont suspendus entre les plaques de zinc et reliés au pôle négatif.

Fonctionnement: sous l'effet du courant électrique qui circule entre l'anode et la cathode, du zinc est soutiré à l'électrolyte et se dépose sur l'objet à recouvrir, en couche régulière. Epaisseur 15 à 30 microns (0,015 à 0,030 mm).

Pendant ce temps l'anode de zinc se dissout et son métal va remplacer (sous forme d'ions métalliques) celui qui a été enlevé à l'électrolyse.

Variantes: le procédé décrit ci-dessus est l'exécution normale appelée:

Zingage électrolytique argenté (bleuté), par ex. «Zintec brillant» une protection renforcée est obtenue par la:

Tropicalisation par ex. «Zintec jaune».

Après le zingage électrolytique, les pièces seront passivées dans un nouveau bain, en présence d'acide chromique. Il se formera, a la surface, un film possédant une action protectrice et donnant une teinte jaune.

Passivation noire par ex. «Zintec noir».

Ce traitement donne une teinte noire, mate ou brillante, et renforce aussi là décoration intérieure aux objets en fer forgé, ainsi que pour les appareils optiques, électroniques, etc.


Zingage électrolytique

Préparation des surfaces:

Elle est semblable à la préparation pour le zingage à chaud. La zinguerie se charge du décapage, du dégraissage ou du sablage.

Préparation technique

Les règles en vigueur pour le zingage à chaud sont, en principe, aussi valables ici, quelques exceptions sont possibles. En cas de doute se renseigner auprès de la zinguerie, avant de construire.

Les corps creux devront aussi être percés (trous plus petits) pour permettre le rinçage complet. Il y a toujours un risque d'infiltration de l'acide, par les jointures et les soudures. L'intérieur des corps creux n'est pas zingué, même si les tubes sont ouverts aux deux extrémités.

Si l'on veut zinguer l'intérieur d'un corps creux ouvert, il est nécessaire, d'une part, d'avoir une ouverture assez grande et, ' d'autre part, d'introduire une barre-anode à l'intérieur du corps creux.

Les ouvrages galvanisés ne devront pas être exposés aux intempéries, ce procédé n'étant pas aussi résistant que le zingage à chaud. Car la couche de zinc est beaucoup plus mince et ne protège pas les intérieurs.

Par contre son aspect est plus lisse et brillant, il n'y a pas de déformation de l'ouvrage, ni de sur épaisseurs sur les soudures faites avec des électrodes basiques. On pourra zinguer par ce procédé les boulons à haute résistance, et toute la visserie.

* Chromage, nickelage, cuivrage, etc.

se font par le même procédé électrolytique, dans des bains appropriés. De par son potentiel électrolytique, le chrome offre une protection supérieure au nickel.

On distingue:

le chromage mat, le chromage brillant et le chromage dur.

Préparation des surfaces

Cette préparation est plus importante pour ces procédés, car il est prévu plusieurs degrés de finition: de mat à satiné, et de satiné à brillant, poli.

Dégraissage, sablage humide, polissage, brossage. Après le chromage interviendra un nouveau polissage léger.

Préparation technique, comme pour le zingage électrolytique. Dans certains cas, le chromage peut être précédé d'un cuivrage et d'un nickelage, pour compenser la porosité du chrome.

Le chromage dur est plus épais que le chromage ordinaire. Son épaisseur est en général de 5 à 10 microns, mais peut atteindre 2000 microns (2 mm). Il est utilisé pour le recouvrement d'instruments de mesure, d'optique, de traçage (compas), pièces de machines, cadrans, manettes, visserie, etc.

On peut chromer l'acier, le laiton, l'aluminium, etc., ainsi que, moyennant préparation spéciale du fond, des matières synthétiques.

4. Projection au pistolet:

Les pièces doivent être nettoyées au jet de grenaille ou de sable. Le métal de recouvrement choisi: zinc, aluminium, cuivre, bronze, etc., est introduit dans le pistolet sous forme de poudre ou de fil. Il est amené à fusion par une flamme oxyacétylénique ou un arc électrique. Puis il est pulvérisé et projeté sur la pièce par un jet d'air comprimé. L'adhérence est favorisée par la rugosité créée par le grenaillage. La couche peut être plus ou moins épaisse, son étanchéité sera fonction de cette épaisseur. Toutefois la croûte ainsi obtenue, ne résistera pas aux efforts de flexion ou de torsion. Il faudra l'appliquer sur des pièces suffisamment rigides.

Utilisation: vu l'absence de bain d'acide, ce procédé peut être utilisé sur des assemblages terminés: pylônes et pièces de charpente, sans limitation de dimensions. Ce traitement convient également aux ouvrages d'art en fer forgé. Ceux-ci seront ensuite patines (peinture plutôt sombre), les parties en relief étant ensuite frottées avec de la laine d'acier, pour les faire ressortir avec un éclat métallique.

* Projection à l'arc plasma:

Le métal de recouvrement choisi est amené sous forme de poudre. Il est mis en fusion par un arc électrique dit «à plasma», c'est-à-dire très concentré.

Utilisation: spécialement pour des recharges sur des pièces de machine soumises à de fortes attaques de corrosion chimique ou électrochimique, ou sujettes à usure rapide par frottement.

* Métallisation électronique:

Dans une atmosphère d'argon très légère (presque sous vide) une anode (en métal de recouvrement choisi) est soumise à un bombardement d'électrons, qui lui arrache des particules.

Ce dernières sont alors projetées sur la pièce à recouvrir, qui peut être métallique ou non (par ex.: matières synthétiques).

* Shérardisation:

Ce procédé ressemble à la cémentation. Il consiste à faire absorber à chaud (300° à 400°) des vapeurs de zinc, par les pores de la pièce, ce qui forme un alliage fer-zinc, dur. Les pièces à recouvrir, clous, visserie, crochets, etc., sont introduites dans un tambour rotatif avec de la poudre de zinc et du sable de quartz. Sous l'effet de la chaleur et d'un jet d'air comprimé, il se produit une diffusion du zinc dans la couche extérieure des pièces.

* Parkérisation ou Bondérisation et Granodisation:

Les pièces sont plongées dans un bain à base de phosphate de zinc. Il se forme à leur surface une couche de phosphate de fer assez résistante. L'acier devient noir mat. Ce traitement peut être appliqué aussi sur le zinc et l'aluminium.

* Calorisation:

Les pièces, décapées, sont placées dans des caisses de cémentation, avec un mélange de poudre d'aluminium et d'argile. Le tout est chauffé à env. 850° durant plusieurs heures. lise forme à la surface une couche de 1 à 2 mm d'un alliage aluminium-fer très résistante à la chaleur.

* Electrode de protection:

Pour protéger contre la corrosion, l'intérieur d'appareils tels que les chauffe-eau en tôle d'acier zinguée, on introduit dans ces réservoirs une électrode de magnésium. Par son potentiel très électronégatif (env. - 2 volts), le magnésium joue le rôle d'anode active. Il s'usera en lieu et place du zinc. Il faudra changer l'électrode environ tous les cinq ans.

* Placage: (bimétal)

Une mince feuille de métal protecteur: acier inoxydable, cuivre, laiton, cupro-nickel, aluminium pur, etc., est appliquée sur le métal de base. Les deux métaux passent ensemble dans un laminoir. La pression et une température appropriée assurent une excellente adhérence.

En tant que métal de base, l'acier ordinaire assume les exigences de rigidité, et la couche superposée la résistance à la corrosion.

Il en est de même lorsque le métal de base est de l'avional, du perunal ou du duralumin, alliages rigides, qui doivent être protégés de la corrosion par une couche d'aluminium pur.

Le coefficient de dilatation des métaux assemblés étant différent, il peut se produire des déformations sous l'effet de la chaleur. Cette propriété du bimétal est utilisée pour des appareils de réglage de température (thermostats, etc.)

* Oxydation anodique de l'aluminium et de ses alliages: (Eloxage).

Une légère couche naturelle d'oxyde, assure une certaine protection de l'aluminium et de ses alliages. Il est possible de renforcer cette protection par un traitement électrochimique désigné par: Oxydation anodique, Anodisation ou Eloxage (Eloxal = Elektrisch oxidiertes Aluminium) c'est-à-dire aluminium oxydé électriquement.


Oxydation anodique

On obtient ainsi une couche d'oxyde d'une épaisseur de 10 à 40 microns. Elle est très dure, résistante et assure une excellente protection contre les attaques chimiques. Elle est, dans un premier stade, poreuse et se prête ainsi à une coloration artificielle. Un dernier bain à 90°, referme les pores.

Le procédé le plus courant est le traitement GS (Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren). Il consiste à immerger les pièces dans un bain (électrolyte) à base d'acide sulfurique, et à les relier au pôle + d'un courant continu (anode). La cathode étant représentée par une plaque de plomb. Ou par un revêtement en plomb du bac.

Variété de procédés

* Oxydation anodique technique ou industrielle

C'est un traitement sans coloration, ni amélioration de la surface qui reste brute d'usinage.

Seul le durcissement de la surface est effectué.

* Oxydation anodique décorative

Préparation de la surface: ponçage, brossage, polissage.

Alliages appropriés: Peraluman, Extrudal, Anticorodal, Grinatal.

- Eloxage incolore: procédés Grinatal, Permalux, oxydation, rinçage, puis bain de fermeture des pores. Durée env. 40 min.

- Eloxage avec coloration: oxydation, rinçage, coloration, rinçage, bain de fermeture des pores. Durée env. 1h.

- Traitement Sanodal: couleurs organiques dans l'eau du bain.

Teintes: jaune-citron, Champagne, jaune-or, rouge-grenat, bleu à noir. Ces teintes pourraient être sensibles au plein soleil.

- Traitement colinal, Raycolor, etc.

Coloration par sels métalliques à base de cobalt.

Teintes: bronze clair, moyen et foncé, graduellement jusqu'au noir. Ces teintes résistent mieux a la lumière.

- Traitement Permalux Eloxage dur, résistant a la lumière.

Teintes: argenté, bronze clair à foncé, jusqu'au noir.

Les normes et labels de qualité pour ces traitements sont établis par EWAA = European Wrought Aluminium Association (Association européenne pour les demi-produits en aluminium).

Préparation technique:

Dans la mesure du possible, prévoir les assemblages sans soudures. Si les soudures sont nécessaires, les prévoir dans un endroit caché ou dans les angles. Choisir dans ce cas le procédé de soudage à l'arc protégé (TIG) ou le soudage par étincellage. N'effectuer en aucun cas du brassage fort ou tendre, qui provoquerait des taches après l'éloxage. Collage invisible possible. Lorsque l'ouvrage destiné à l'éloxage, doit être cintré à chaud ou soudé, il faut donner la préférence au Peraluman. Pour d'autres alliages, dits trempants, les pièces terminées doivent être trempées (chauffées à environ 500°, refroidies à 30°, puis mûries à froid, à l'air, ou à chaud, suivant l'alliage entre 130° et 200°, pendant 0,5 à 24 heures.

Les corps creux devront être percés pour permettre le rinçage complet.

Entretien: Les pièces éloxées doivent être manipulées avec précaution. Enlever les taches éventuelles avec de l'eau, de l'eau de savon ou avec un chiffon humecté de pétrole, essuyer ensuite avec un chiffon propre. Appliquer éventuellement de la vaseline ou une cire. Ne jamais utiliser un produit de nettoyage pouvant rayer ou attaquer la surface.

Prendre toutes précautions pour éviter des dégâts sur le chantier, ou pendant le transport.

Se conformer aux prescriptions des fournisseurs d'aluminium.

6. Recouvrement par des matières synthétiques:

Les métaux mi-ouvrés: barres, tubes, feuilles ainsi que les ouvrages de construction métallique peuvent être recouverts de peintures plus ou moins épaisses, généralement à base de résines synthétiques ou naturelles (caoutchouc).

Les résines synthétiques sont variées: Polyéthilène (PE), Polychlorure de vinyle (PVC) qui sont thermoplastiques, ou résines époxydes, silicones, etc., qui sont thermodurcissables.

Ces matières, appelées matières plastiques, ont diverses couleurs et peuvent avoir une surface lisse, granulée, cannelée, etc.

Modes d'application

* Par projection au pistolet: la matière plastique est liquéfiée dans un pistolet à air comprimé, puis projetée sur le métal. Le séchage peut être effectué à l'air ou au four, ou avec un réflecteur infra-rouge.

* Par électrophorèse: pour la couche de fond des carrosseries, etc. Un premier traitement, la phosphatation, consiste en l'application, par procédé électrostatique, d'une couche de poudre formée de phosphates de zinc et de manganèse.

Un deuxième traitement, la cataphorèse, consiste à plonger la carrosserie, reliée au pôle négatif, dans 100 m3 d'eau contenant en suspension une résine synthétique et un pigment anti-rouille reliés au pôle positif. La tôle attire les particules de peinture jusque dans les endroits les plus cachés, formant une couche de 25 à 30 microns, soit 6 ou 7 kg par voiture. On assure ainsi une bonne résistance à la corrosion, à l'usure et au vieillissement.

Le traitement est renforcé par l'application d'une épaisse couche de PVC élastique sur la partie inférieure de la carrosserie, et de résine époxyde, résistante à l'abrasion et à la corrosion, sur les roues.

* Par thermolaquage: pour la menuiserie métallique et le revêtement de façades. La tôle d'aluminium, préalablement phosphatée et chromatée, passe en continu par un système de rouleaux qui l'enduisent de résines synthétiques teintées et la conduisent au travers d'un four, pour séchage et durcissage. La bande de tôle est ensuite coupée de longueur. Elle peut être pliée, cintrée, etc.

* Par projection électrostatique la matière plastique est projetée sous forme de poudre (ou liquide) par un pistolet à air comprimé mis sous une tension de 50000 à 100 000 volts et une intensité de 0,2 mA. Chargées d'électricité statique, les particules adhérent à la pièce à recouvrir (suspendue) en formant une couche régulière, qui sera fixée par frittage dans un four, entre 130° et 200°.

* Par frittage «au tourbillon»: les pièces sont chauffées dans un premier four. Elles passent ensuite dans un récipient où la poudre est mise en tourbillon par de l'air comprimé. La poudre se colle à la pièce chaude puis elle est frittée dans un deuxième four.

* Par extrusion: le fil ou la barre à recouvrir, défile au travers d'une presse à extruder et de sa filière. Simultanément, la presse injecte la matière plastique, enrobant ainsi le métal au passage, et au gabarit de la filière.

* Par collage: utilisé pour la tôle Skinplate.

La tôle d'acier ou d'aluminium, passe en continu par un système de rouleaux qui l'enduisent de colle et la conduient au travers d'un four à réchauffer. Au sortir du four un autre jeu de rouleaux, amène une feuille de matière plastique, lisse ou granulée, en contact avec la tôle et opère le collage par pression.

Questionnaire pour l'étude à domicile et pour les compositions

Métallurgie

Sidérurgie:

1. Nommez les métaux ferreux, indiquez ce qui les différencie.
2. Qu'est-ce qu'un minerai de fer? Donnez trois noms de minerai!
3. Qu'est-ce qu'un haut fourneau, quel est son chargement?
4. Qu'est-ce que la réduction?
5. Qu'est-ce que la carburation?
6. Quels sont les produits du haut fourneau?
7. Désignez les composants de la fonte!
8. Quelles sont les sortes de fonte?
9. Comment transforme-t-on la fonte blanche en acier? (principe)
10. Quels sont les procédés d'affinage par soufflage?
11. Quels sont les procédés d'affinage au four?
12. Qu'est-ce que la «réduction directe»?
13. Quels sont les deux procédés de coulée de l'acier?
14. Comment et pourquoi forge-t-on les gros lingots d'acier?

Qualités des métaux:

1. Qu'est-ce qu'un effort de traction?
2. Qu'est-ce qu'un effort de flexion?
3. Qu'est-ce qu'un effort de cisaillement?
4. Donnez la signification de: ténacité, dureté, malléabilité!

Alliages:

1. Qu'est-ce qu'un alliage, quels sont ses principaux avantages?
2. Citez 2 aciers inoxydables, indiquez leurs caractéristiques!
3. Décrivez 2 sortes d'acier à outils!
4. Qu'est-ce qu'un acier rapide?
5. Qu'est-ce qu'un métal dur fritte?
6. Désignez 4 sortes de fonte!
7. Qu'est-ce que l'acier coulé?

Métaux non ferreux:

1. Expliquez, sommairement, la métallurgie du cuivre!
2. Indiquez les propriétés du cuivre!
3. Nommez le minerai d'aluminium!
4. Décrivez les deux étapes de la métallurgie de l'aluminium!
5. Indiquez les propriétés de l'aluminium!

Alliages non ferreux:

1. Indiquez la composition de base du: laiton, bronze, cupro-nickel!
2. Indiquez l'utilisation de ces trois alliages!
3. Nommez 5 composants destinés aux alliages d'aluminium!
4. Quels sont les alliages d'aluminium, non trempants?
5. Quels sont les alliages d'aluminium, trempants?
6. Enumérez quelques tôles spéciales en métal léger!
7. Décrivez les panneaux multicouche: alucobond et alucopan!
8. Indiquez les degrés de dureté des alliages et leur numéro d'ordre!
9. Indiquez le coefficient de dilatation de: Ac, Al, Cu, Zn, béton, PVC!

Fonderie:

1. Quels sont les métaux employés en fonderie?
2. Enoncez le principe du moulage en sable!
3. Expliquez le but et les particularités du modèle de fonderie!
4. Qu'est-ce qu'un mètre à retrait?
5. Qu'est-ce qu'un noyau? Qu'est-ce qu'un moule de fonderie?
6. Enumérez les autres procédés de moulage!

Protection des métaux:

1. Quelles sont les différentes sortes de corrosion?
2. Situez dans la série électrochimique la position des métaux suivants: aluminium, chrome, cuivre, étain, fer nickel, zinc!
3. Comment peut-on nettoyer les surfaces à protéger?
4. De quoi sont composées les peintures?
5. Comment sont classées les peintures?
6. Quels dangers présentent les peintures et les décapants?
7. Qu'est-ce que la métallisation?
8. Expliquez le procédé de zingage à chaud et les précautions à prendre!
9. Expliquez le procédé de zingage électrolytique (galvanisation)!
10. Qu'est-ce que le chromage?
11. Expliquez la projection au pistolet!
12. Qu'est-ce que l'oxydation anodique des métaux légers?
13. Quelles sont les variantes, quelles précautions faut-il prendre?