Métaux Non Ferreux : Classification et Propriétés

Métaux Non Ferreux : Classification et Utilisation

Les métaux non ferreux sont de plus en plus utilisés dans l'industrie pour la fabrication de nombreux produits. Ils sont classés selon leur densité :

Classification par Densité

• Métaux Lourds : Densité supérieure à 5 kg/dm³.
  • Exemples : Cuivre, Étain, Zinc, Plomb, etc.
• Métaux Légers : Densité comprise entre 2 et 5 kg/dm³.
  • Exemples : Aluminium, Titane.
• Métaux Ultralégers : Densité inférieure à 2 kg/dm³.
  • Exemples : Magnésium, Béryllium.

Les métaux non ferreux sont généralement mous et peu résistants. Ils sont souvent alliés à d'autres métaux afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques et leur résistance.

Ordre d'Utilisation (du plus haut au plus bas)

Les métaux non ferreux les plus utilisés (et leurs alliages) sont :

1. Cuivre
2. Aluminium
3. Étain
4. Plomb
5. Zinc
6. Nickel
7. Chrome
8. Titane
9. Magnésium

Étain (Sn)

L'étain est un métal assez rare dans la croûte terrestre. On le trouve habituellement concentré dans le secteur minier, même si sa richesse est souvent assez faible (0,02%).

Le minerai d'étain le plus exploité est la cassitérite, dans lequel le métal se présente sous forme d'oxyde (SnO₂).

Caractéristiques de l'Étain

• L'étain pur a une couleur très brillante. À température ambiante, il s'oxyde et perd de son lustre extérieur.
• À température ambiante, il est très malléable et souple. On peut obtenir des feuilles d'étain de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur. Cependant, à chaud, il est fragile et cassant.
• En dessous de -18 °C, il commence à se décomposer et à devenir une poudre grise. Ce processus est connu sous le nom de maladie de l'étain ou peste de l'étain.
• Lorsque l'étain se plie, on entend un craquement appelé le cri de l'étain.

Alliages d'Étain

• Bronze : Alliage de cuivre et d'étain.
• Alliages de soudure : Alliages étain-plomb et étain pur dans des proportions comprises entre 25 et 90 %.
• Alliages à bas point de fusion :
  • Darcet : (25 % Sn + 25 % Pb + 50 % Bi), qui fond à 97 °C.
  • Cerrolow : (8,3 % Sn + 22,6 % Pb + 44,7 % Bi + 5,3 % Cd + 19,1 % In), qui fond à 47 °C.

Application Principale

Une des applications les plus importantes de l'étain est la fabrication du fer-blanc. Il se compose d'une tôle d'acier revêtue de deux fines couches d'étain pur. L'étain protège l'acier contre l'oxydation.

Cuivre (Cu)

Les minerais de cuivre utilisés aujourd'hui sont sous la forme de :

• Cuivre natif
• Sulfures (chalcopyrite et chalcocite)
• Oxydes (malachite et cuprite)

Caractéristiques du Cuivre

• Il est très ductile et malléable.
• Il possède une conductivité électrique et thermique élevée.

L'ajout d'autres métaux non ferreux au cuivre améliore sensiblement ses propriétés mécaniques et sa résistance à l'oxydation, mais diminue légèrement sa conductivité électrique et thermique.

Alliages de Cuivre

Bronze (Cuivre et Étain)

1. Bronze Régulier : Contient uniquement du cuivre et de l'étain (de 5 à 30 %). Utilisé pour les cloches et les engrenages.
2. Bronze Spécial : Contient du cuivre, de l'étain et d'autres éléments chimiques. Utilisé pour les sculptures et les câbles électriques.

Laiton (Alliage de Cuivre et de Zinc)

1. Laiton Régulier : Contient uniquement du cuivre et du zinc (30 à 55 %). Utilisé pour la quincaillerie.
2. Laiton Spécial : Contient du cuivre, du zinc et d'autres éléments chimiques. Utilisé pour les robinets, les écrous et les boulons.

Titane (Ti)

Le titane est abondant dans la nature, étant un composant de presque toutes les roches volcaniques contenant du fer. L'extraction du titane est un processus complexe, ce qui augmente le coût du produit final.

Les minéraux de titane exploités sont le rutile et l'ilménite.

Caractéristiques du Titane

• C'est un métal blanc argenté, plus résistant à l'oxydation et à la corrosion que l'acier inoxydable.
• Ses propriétés mécaniques sont similaires, voire supérieures à celles de l'acier, avec l'avantage de les conserver jusqu'à 400 °C.

Applications du Titane

En raison de sa faible densité et de ses performances mécaniques élevées, il est principalement utilisé dans la fabrication de structures et de pièces de machines dans l'aéronautique (avions, fusées, missiles) et pour les satellites de communication.

Magnésium (Mg)

Le magnésium est un métal léger. Les minerais utilisés sont le chlorure de magnésium (dérivé de l'eau de mer, le plus largement utilisé), la dolomite, la magnésite et la carnallite.

Caractéristiques du Magnésium

• Sous forme liquide ou en poudre, il est très inflammable.
• Il a une couleur blanche, semblable à l'argent.
• Il est malléable et très ductile.
• Il est plus durable que l'aluminium pour la forge.

Alliages de Magnésium

Utilisés notamment dans l'aviation :

Alliages pour Forge

1. Magnan : Magnésium + Manganèse
2. Magzine : Magnésium + Zinc
3. Magal : Magnésium + Aluminium

Alliages pour Coulée

4. Fumagal : Magnésium + Zinc + Aluminium
5. Fumagcin : Magnésium + Aluminium

Sous sa forme la plus pure, le magnésium a peu d'utilisations, sauf dans les feux d'artifice et comme flux dans les fonderies d'acier.

Autres Alliages de Cuivre

• Cuproaluminium : Alliage d'aluminium et de cuivre. Utilisé pour les hélices, les turbines, etc.
• Alpaca (Maillechort) : Alliage de cuivre, de nickel et de zinc. Il a une couleur argentée. Utilisé pour les bijoux bon marché et l'argenterie.
• Cupronickel (Cupro) : Alliage de cuivre-nickel (40 à 50 %). Utilisé pour les pièces de monnaie et les contacts électriques.

Zinc (Zn)

Les minerais utilisés dans l'extraction du zinc sont la calamine et la sphalérite.

Caractéristiques du Zinc

• Il est très résistant à l'oxydation et à la corrosion dans l'air et l'eau, mais il n'est pas très résistant à l'attaque par les acides et les sels.
• Il possède le plus fort coefficient de dilatation thermique de tous les métaux.
• À température ambiante, il est cassant, mais entre 100 et 150 °C, il devient très malléable.

Applications Commerciales du Zinc

1. Alliages

   • Laiton : (Cuivre + Zinc). Moins cher que le bronze, il le remplace dans de nombreuses applications.
   • Argent Allemand (Maillechort) : (Cu + Ni + Zn). Utilisé autrefois en coutellerie et maintenant dans la fabrication de bijoux fantaisie.
   • Zamak : (Al + Cu + Zn). Utilisé pour les pièces de haute précision et de qualité de surface ne nécessitant pas d'usinage.

2. Production en Forme Pure

   Sous forme de feuilles pures de différentes épaisseurs :

   • Couverture de toitures, gouttières et corniches.
   • Tuyaux de descente et réservoirs d'eau.

3. Revêtement (Galvanisation)

   • Galvanisation Électrolytique : La pièce est recouverte par électrolyse d'une fine couche de zinc (environ 15 millièmes de millimètre).
   • Galvanisation à Chaud : La pièce est plongée dans un bain de zinc fondu. Une fois refroidi, le zinc adhère et protège la pièce.
   • Métallisation : Projection de minuscules particules de zinc, mélangées à de la peinture, sur la surface à protéger.
   • Shérardisation : Une pièce d'acier est placée dans un four avec de la poussière de zinc. Par la chaleur, le zinc pénètre l'acier et le protège de l'oxydation.

4. Autres Formes

   Utilisé dans les colorants, les colles, les agents de conservation, les piles, les déodorants, etc.

Plomb (Pb)

Le minerai le plus utilisé est la galène, qui se compose de sulfure de plomb.

Caractéristiques du Plomb

• Il est très souple et facile à couper.
• Il est d'un blanc grisâtre, très brillant lorsqu'il est fraîchement coupé. Il s'oxyde facilement, formant un carbonate basique qui le protège.
• Il a une bonne résistance aux acides sulfurique et chlorhydrique, mais il est attaqué par l'acide nitrique et la vapeur de soufre.

Applications du Plomb

Grâce à sa capacité à bien résister aux intempéries et aux produits chimiques, le plomb a de nombreuses applications, tant sous forme pure qu'en alliages.

Forme Pure

• Oxyde de plomb : Utilisé pour fabriquer des peintures antioxydantes.
• Tubes : (Pipes).
• Piles : (Batteries).
• Revêtement : Protection contre les radiations nucléaires (rayons X).

Alliages

• Soudure : Alliage de plomb et d'étain, utilisé comme matériau de remplissage.

Aluminium (Al)

L'aluminium est le métal le plus abondant dans la nature, représentant 8 % de la croûte terrestre. On le trouve dans l'argile, le schiste, le feldspath, l'ardoise et les roches de granit.

Malheureusement, il n'existe pas dans la nature sous sa forme la plus pure, mais combiné à l'oxygène et à d'autres éléments. Le minerai à partir duquel l'aluminium est obtenu est la bauxite, qui est composée d'alumine et est de couleur rouge.

Caractéristiques de l'Aluminium

• Il est léger et très inoxydable à l'air, car il forme une très mince pellicule d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) qui le protège.
• Il est un bon conducteur d'électricité et de chaleur. Il est souvent utilisé dans les lignes électriques car il est plus léger que le cuivre.
• Il est très malléable (feuille d'aluminium pour l'emballage) et ductile.

Classes et Applications

L'aluminium est utilisé dans des alliages pour améliorer sa dureté et sa résistance, mais il est également vendu à l'état pur.

1. Alliages d'Aluminium

   • Aluminium + Cuivre (Duralumin) : Utilisé dans les bases d'aluminium ou de bronze, les pneus, les voitures, les vélos, etc.
   • Aluminium + Magnésium : Principalement utilisé dans l'aérospatiale et l'automobile.
   • Aluminium + Cuivre + Silicium : Pour le moulage de pièces par injection.
   • Aluminium + Nickel + Cobalt (Alnico) : Cet alliage permet de produire de puissants aimants permanents.

2. Aluminium Pur (Poudre)

   Mélangé à de la peinture, il protège des intempéries.

Les formes habituellement utilisées dans la commercialisation de l'aluminium sont : fils, feuilles, tiges et barres.