Ensemble des procédés et des techniques d'extraction, d'élaboration, de mise en forme et de traitement des métaux et de leurs alliages.

Le traitement des métaux

Introduction

La purification des métaux depuis leur état de minerai, les différents traitements thermiques ou mécaniques qui leur sont appliqués, leur mise en forme par forgeage, laminage ou autres méthodes, l'étude de la genèse et de la structure des alliages, les recherches sur la corrosion ou le recyclage, toutes ces techniques, et les connaissances empiriques et scientifiques qui les sous-tendent, entrent dans le vaste domaine de la métallurgie, dont quelques points essentiels sont présentés ici.

Les minerais contiennent généralement des oxydes ou des sulfures métalliques au sein d'une matrice, la gangue. Une fois celle-ci éliminée, le minerai doit être réduit. Pour le fer, le cuivre, le plomb ou le zinc, la réduction chimique par le monoxyde de carbone se fait à l'intérieur même du haut-fourneau par combustion de coke (charbon pyrolysé). Pour les métaux tels que le molybdène ou le tungstène, la réduction directe par l'hydrogène est un procédé, plus coûteux, qui a l'avantage de donner un métal plus propre. Pour les métaux très électronégatifs, aluminium ou sodium, l'électrolyse est la meilleure méthode.

L'industrie des semi-conducteurs a besoin de silicium pur à 99,999 999 %. Les méthodes de purification chimique étant insuffisantes, seule la technique de fusion de zone réalise cette performance. L'industrie nucléaire a d'autres exigences. La pureté chimique ne lui suffit pas, il lui faut une proportion précise d'isotopes de l'uranium : le combustible nucléaire doit être préalablement enrichi en uranium 235.

Les propriétés mécaniques des métaux purs ne permettraient que peu d'applications. Seule la grande variété des alliages apporte richesse et diversité à la métallurgie. En revanche, les structures engendrées au cours des traitements thermiques sont d'une grande complexité. À l'échelle microscopique, l'arrangement respectif des atomes peut donner naissance à des microdomaines qui expliquent les propriétés macroscopiques des alliages. Récemment, des expériences embarquées dans les stations spatiales comme Spacelab ont montré qu'il était possible de réaliser en microgravité des matériaux aux propriétés nouvelles, ce qui ouvre des perspectives pour des utilisations très spécialisées.

Des métaux et des hommes

Bronze

Alliage de 70-90 % de cuivre et d'étain, éventuellement plomb ou antimoine. Vers 2500 avant J.-C. commence en Europe méditerranéenne l'âge du bronze, ou plutôt l'âge de la métallurgie : fours à 1 100 °C, alliages, recuit, moulage, forgeage.

Fer

Dès le IX^e s. avant J.-C. en Europe occidentale, l'âge du fer représente un bond technologique : fours à haute température (1 535 °C), purification, forgeage, fabrication de grandes pièces.

Aluminium

L'élaboration industrielle de l'aluminium, isolé par Œrsted en 1825, a été réussie par Sainte-Claire-Deville (1854). Bien que protégé par Napoléon III qui l'introduisit à la Cour sous forme de couverts, l'aluminium n'a connu de triomphe qu'avec l'électrométallurgie, inventée simultanément en France et aux États-Unis par Paul Héroult et Charles Hall (1886).

Or

L'or est inaltérable et naturellement pur. Les Égyptiens en faisaient des bijoux dès le III^e millénaire avant J.-C. L'or est thésaurisé sous formes de lingots ou de monnaies. Il sert en orfèvrerie, en dentisterie et à de rares utilisations techniques : vaisseaux spatiaux, contacts électriques, circuits électroniques.

Plutonium

Découvert par G. T. Seaborg à Berkeley (1941), ce métal transuranien fut caché sous le nom de code de « cuivre ». Il a été révélé au grand public avec la première bombe atomique (1945).

L'élaboration des métaux

Élaboration de l'aluminium

Presque toujours oxydés dans les minerais naturels, les métaux doivent subir une réduction pour passer à l'état métallique. De même qu'ils diffèrent entre eux dans leur affinité à l'oxygène, ils diffèrent dans leur réactivité au cours de la réduction à l'état métallique. Ainsi, l'aluminium métal réduit aisément l'oxyde de fer, car l'affinité de l'aluminium pour l'oxygène est plus grande que celle du fer. (L'inverse n'est évidemment pas vrai : l'aluminium métal ne peut être obtenu à partir d'oxyde d'aluminium et de fer métallique.) Parmi les métaux usuels, l'ordre d'affinité avec l'oxygène croît dans la série cuivre, fer, aluminium, silicium, sodium. Mais un autre élément chimique tient une place particulière : le carbone. Il existe abondamment dans la nature sous sa forme réduite, le charbon ; et, en outre, ses monoxyde et dioxyde (CO et CO₂) sont des gaz. La conjonction de ces deux propriétés a été mise à profit dans de nombreux procédés.

Coupe d'un haut-fourneau

Un procédé technologique ne se résume pas en une équation chimique. Ainsi, celle de la réduction du fer par le coke : 3CO + Fe₂O₃ + impuretés à 1 000 °C →2Fe + 3CO₂ + laitier ne décrit pas vraiment les événements qui se succèdent. La combustion du coke produit à la fois la chaleur et le gaz CO indispensables à la réaction. Le gaz entre beaucoup plus intimement en contact avec le minerai que ne le ferait un solide. Le fer, liquide dense, s'écoule au fond du haut-fourneau, se séparant ainsi des autres produits de la réaction. Le gaz CO₂ s'échappe spontanément, et le laitier, liquide peu dense, flotte au-dessus du fer.

Le principe ne change pas quand l'hydrogène est pris comme réducteur à la place du CO. Plus cher, mais aussi exempt d'impuretés, l'hydrogène est utilisé pour la réduction du tungstène et du molybdène. Ce procédé évite la formation des carbures métalliques produits avec tous les procédés au coke, quels qu'ils soient.

L'électrométallurgie est pratiquée, notamment, pour l'élaboration de l'aluminium. L'alumine Al₂O₃, difficile à réduire par voie chimique, est fondue dans un bain de cryolithe (Na₃AlF₆), à 960 °C. Au cours de l'électrolyse à faible tension (4 V), l'alumine se décompose ; l'oxygène va vers l'anode en carbone, qui est brûlée (le gaz CO₂ est purifié avant d'être rejeté), l'aluminium descend vers la cathode qui forme le fond du creuset. Le courant circulant dans la cellule est de 100 000 A. Pour éviter de changer d'anode tous les mois, l'anode de type Söderberg est coulée et cuite continûment sur place à la température du four. La chaleur dissipée par effet Joule est suffisante pour maintenir le système en fusion, tant qu'il est alimenté en alumine.

L'aluminium est lui-même utilisé pour la réduction de l'oxyde de chrome Cr₂O₃ (aluminothermie). La réaction très exothermique s'écrit : Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr.Le mélange d'oxyde de chrome et de poudre d'aluminium est introduit dans le creuset, où est enflammé un ruban de magnésium. La chaleur dégagée suffit à amorcer la réaction, qui continue spontanément. Après refroidissement et solidification, le creuset contient deux couches métalliques qui se séparent facilement : du chrome pur et un mélange Al₂O₃−Cr₂O₃. La pureté du chrome dépend de celle de l'aluminium réducteur. Trois tonnes de chrome par cuve sont ainsi obtenues.

Exemples de métallurgies récentes

Deux secteurs technologiques de pointe, l'informatique et l'énergie nucléaire, dépendent chacun d'un métal : le silicium et l'uranium. L'élaboration de ceux-ci présente deux types de difficultés. D'abord, leur grande affinité pour l'oxygène impose des précautions particulières lors de la préparation. Ensuite, l'industrie des semi-conducteurs ne se contente pas de silicium ordinaire : elle exige du silicium ultrapur. Quant aux centrales nucléaires, elles ont besoin d'uranium enrichi, d'une teneur en isotope 235 supérieure à celle de l'uranium naturel. L'élaboration de ces métaux se fait en deux étapes. La première est traditionnelle ; la seconde, plus élaborée, est seule évoquée ici.

La quantité d'impuretés restant dans un échantillon de silicium peut être réduite à 1/10 000 par purification chimique. C'est encore insuffisant pour l'industrie des semi-conducteurs, qui requiert une pureté de l'ordre du milliardième. La fusion par zone permet d'atteindre cette valeur. Un barreau de silicium solide, chimiquement purifié, est chauffé, par induction de courants hyperfréquence ou par bombardement électronique, sur une zone étroite, au-dessus de la température de fusion. Les impuretés migrent dans cette zone liquide, que l'on déplace lentement de la tête à la queue du barreau. Après plusieurs passages, le barreau est ultrapur, toutes les impuretés s'étant rassemblées dans cette queue (de la largeur de la zone fondue), qu'il suffit de couper.

L'uranium à l'état naturel contient 99,3 % d'uranium 238 (non fissile) et 0,7 % d'uranium 235 (fissile). Mais les éléments combustibles chargés dans les centrales doivent avoir une teneur en isotope 235 comprise entre 2 % et 4 %. L'enrichissement consiste à trier deux isotopes aux propriétés chimiques pratiquement identiques, dont les masses ne diffèrent que de 1 %. Par diffusion gazeuse, un composé gazeux de l'uranium, l'hexafluorure UF₆, traverse des barrières poreuses, groupées en étages d'enrichissement élémentaire. Le composé de l'isotope 235 les traverse légèrement plus vite que le composé de l'isotope 238. La séparation tient à cette faible différence. L'opération étant répétée en cascade des milliers de fois, le taux d'enrichissement augmente lentement. D'autres procédés sont développés, comme la séparation par laser, ou photo-ionisation sélective (procédé SILVA).

De la cristallographie au traitement thermique des métaux

Les propriétés d'un matériau métallique dépendent largement des transformations qu'il a subies antérieurement. Pour comprendre ce phénomène, il faut descendre à l'échelle atomique. Dans un alliage binaire, les deux éléments peuvent former soit une solution solide, soit des composés définis. Dans les solutions solides, les atomes de l'un des composants pénètrent dans le réseau cristallin de l'autre, ce qui se fait soit par insertion, soit par substitution. Dans le premier cas, les atomes de l'élément de plus petit diamètre se glissent dans les interstices du réseau de l'autre. Tel est le cas de la martensite, constituant principal de l'acier trempé (Fe, C). Dans le second cas, les atomes d'un élément viennent au hasard se substituer à ceux de l'autre dans le réseau. Tel est le cas des alliages cuivre-or, cuivre-platine ou du laiton (cuivre et zinc). Très différents sont les composés définis (ou intermétalliques). Ils se forment lorsque les deux éléments de l'alliage se rencontrent dans des proportions simples, généralement stœchiométriques, et composent ensemble une surstructure cristalline, différente de leurs deux structures initiales. La cémentite, Fe₃C, l'une des phases des aciers au carbone, et le laiton β', Cu₅Zn₈, phase ordonnée, dure et fragile de cet alliage, connu pour sa malléabilité et sa résistance mécanique, en sont des exemples.

Si on refroidit lentement un alliage homogène, stable à haute température, à une certaine température de transition, il devient instable et les atomes se réorganisent en deux phases qui coexistent dans le solide. La diffusion des atomes est d'autant plus lente que la température est basse. Mais, si l'alliage est refroidi brutalement, l'arrangement atomique, qui n'existe en principe qu'à température élevée, persiste à basse température. C'est le phénomène de trempe. Ainsi, au-dessus de 720 °C, le fer et le carbone (0,8 %) forment une solution solide, l'austénite, qui se décompose par refroidissement lent en lamelles alternées de ferrite et de cémentite. La trempe empêche la formation d'agrégats entre ces deux phases ; il se forme instantanément des cristallites de martensite. L'acier est plus dur, mais aussi plus fragile. Le mode de refroidissement, lent ou rapide, affecte profondément la structure et les propriétés d'un alliage.

Au cours du soudage, le métal porté localement au-dessus de la température de fusion présente un fort gradient thermique entre le point chaud et les parties restées froides. Les nouvelles phases qui apparaissent n'ont pas le temps de s'homogénéiser au cours du refroidissement. Les différences locales modifient les propriétés mécaniques du matériau, favorisant, par exemple, ultérieurement la corrosion. La corrosion à haute température peut déjà se produire pendant le soudage. Le soudage à l'argon (gaz inerte) pallie cet inconvénient.

Métallurgie et microgravité

Dans un satellite en vol orbital règne un état de quasi-impesanteur. Il subsiste une certaine microgravité (de l'ordre de 10⁻⁵ à 10⁻⁶ g), due à la pression atmosphérique résiduelle, aux manœuvres du véhicule, à la stabilisation gyroscopique, etc. Cette quasi-absence de gravité modifie complètement le déroulement de certains processus. Sur Terre, un métal en fusion ne reste pas homogène ; les zones chaudes, moins denses, montent à la surface. Il en résulte un courant de convection qui n'existe pas en microgravité. Les mécanismes d'échange, les forces de cohésion, la surface de séparation entre phases sont changés. En microgravité, un alliage liquide cristallise différemment et forme un matériau aux propriétés nouvelles. Sur l'échantillon d'alliage Al/Cu solidifié en microgravité lors de la mission Spacelab (novembre 1985), les monocristaux d'aluminium pur forment un réseau régulier de dendrites.

Sidérurgie

Introduction

Élaboration de l'acier

L'acier a déjoué toutes les prédictions des spécialistes du futur. Résistant aux alliages légers, aux plastiques, aux céramiques, aux composites, le plus vieux métal du monde a maintenu et même renforcé ses positions en luttant sur trois fronts : les performances, les méthodes d'élaboration et les prix. À moins d'un euro le kilogramme, l'acier distance, en effet, de loin les nouveaux matériaux, qui peuvent coûter plus de quinze euros le kilogramme. Surmontant crises et conjonctures, la consommation de ce métal ne cesse de croître. Que ce soit dans la fusée Ariane, la pyramide du Louvre, les automobiles les plus modernes ou les véhicules classiques, l'acier reste irremplaçable. Il s'est spécialisé et diversifié selon la destination qui lui est donnée et les nécessités de la mise en forme. Deux exemples suffisent à illustrer cette universalité. Les boîtes de conserve et de boissons (marché en forte progression) demandent un métal souple, résistant à la corrosion, mais cédant facilement à la pression de l'ouvre-boîte. À l'opposé, la « boîte noire » des avions (en fait, il y en a deux par appareil et elles sont de couleur orange) doit résister à une chute à grande vitesse et à la chaleur d'un feu de kérosène (plus de 1 000 °C) pendant au moins 30 minutes. Faisant bon ménage avec d'autres matériaux, l'acier entre dans les ouvrages d'art sous forme de ronds à béton ou de câbles de précontrainte. Quant aux carrosseries tout plastique, elles sont en fait soutenues par une carcasse en acier. Pour répondre à ces exigences très variées, les sidérurgistes jouent sur la continuité de fabrication et le contrôle. L'enchaînement des opérations réduit les délais et les coûts et améliore les caractéristiques des produits. Le contrôle, omniprésent à toutes les étapes, minimise les dérives et les rebuts. Ainsi naissent, par des procédés très élaborés, des aciers à haute performance.

Bien que gagnant sur de nombreux tableaux, l'acier a conservé son point faible : il est fragile face aux attaques du milieu, il est sujet à la corrosion. C'est pourquoi il reçoit le renfort de revêtements de plus en plus résistants, intégrés à la filière de fabrication. D'autres modes de revêtement sont en cours de développement.

Dates clés de la métallurgie

Le règne du continu

Coulée continue curviligne

• Convertisseur à oxygène

Coulée, laminage, traitements thermiques et de surface, toutes les étapes de la transformation de l'acier bénéficient aujourd'hui de la filière continue. Les opérations s'enchaînent sans pause, les stocks intermédiaires sont réduits à zéro. Les délais de fabrication ne se chiffrent plus en jours, mais en heures, voire en minutes. La qualité du produit final y gagne, surtout l'homogénéité des performances. La coulée a subi les changements les plus spectaculaires. Finis les lingots massifs qui, il y a encore une dizaine d'années, passaient par les puissants laminoirs dégrossisseurs pour une première mise en forme. Aujourd'hui, les machines à coulée continue débitent directement des plaques d'une vingtaine de centimètres d'épaisseur, les brames, à la cadence de un ou deux mètres par minute. Les fours de réchauffage des lingots ont disparu, les brames encore chaudes prenant directement le chemin du train à bandes pour y être laminées.

Dans le laminage à froid, les opérations s'enchaînent après le passage obligatoire par le décapage. Ici aussi, les cadences sont très rapides ; la tôle peut défiler localement à plus de 1 000 m/min. S'il le faut, le réglage du laminoir est modifié « au vol », sans arrêter le défilement. Et la continuité du produit est assurée par le soudage bout à bout des bobines. Ce laminage continu est piloté par ordinateur, et placé sous le contrôle d'opérateurs très qualifiés.

L'étape suivante, celle du recuit – destiné à restaurer la structure du métal, modifiée par le laminage –, bénéficie du gain de temps apporté par la filière continue. Elle ne prend plus qu'une quinzaine de minutes, alors que, dans les fours cloches de l'ancien temps, où la tôle entrait sous forme de bobines, elle durait couramment 8 jours. En outre, la tôle déroulée reçoit un traitement plus homogène ; l'inspection est faite dans la foulée. En un seul passage, elle subit les traitements de dégraissage, de recuit et d'écrouissage. Plus régulière, elle est aussi plus propre, atout apprécié pour l'application ultérieure des revêtements. Galvanisation et étamage s'opèrent maintenant au défilé, que ce soit par bain dans un métal en fusion ou par électrolyse. Depuis peu, le vernis est appliqué en continu sur bobine et non plus au feuille à feuille. La simplification de la manutention est ici aussi considérable : une seule bobine engagée dans la ligne est l'équivalent de 10 000 feuilles, qu'il fallait saisir l'une après l'autre. Suppression aussi du découpage dans les installations très intégrées où la galvanisation, la peinture et le profilage sont réalisés en continu. Cette continuité impose une organisation du travail adaptée. Celui-ci est exécuté par 5 équipes en 3 × 8 heures.

Le règne du continu se renforce. Partout, les sidérurgistes cherchent à enchaîner les étapes, de la coulée à la galvanisation. Leur effort porte aussi sur l'amincissement des produits de la coulée continue.

Le contrôle en direct

Le contrôle suit la production : il se fait en continu et en temps réel sur un ruban d'acier qui peut défiler à la vitesse de un kilomètre par minute. Les opérations d'ajustement sont donc effectuées au fil des lignes et leur temps de réponse ne doit pas dépasser quelques secondes. L'informatique seule peut assurer cette rapidité de réaction : les informations collectées sont immédiatement traitées par l'ordinateur, qui renvoie en amont les instructions nécessaires.

L'assurance qualité a renforcé les exigences, tandis que la méthode du juste à temps accentue les conséquences pénalisantes du moindre rebut. C'est pourquoi les unités sidérurgiques sont placées sous le contrôle d'ordinateurs et d'automates. Mais les hommes restent présents dans leur poste de surveillance informatisé, où les données nécessaires leur arrivent sous forme de synopsis, de chiffres et de courbes qui s'affichent sur leurs écrans. La composition de l'acier est continûment analysée. Avant la coulée, la teneur en différents éléments est vérifiée en temps réel par spectrographie. La structure et la qualité du produit final passent par le respect strict des conditions de solidification et des paramètres de laminage et de traitement thermique. Le troisième point important est l'épaisseur du ruban produit. Elle est constamment surveillée et rectifiée selon les indications des jauges d'épaisseur. Ainsi, l'historique de la fabrication est connu et archivé pour toutes vérifications ultérieures.

Des aciers toujours nouveaux

Composées de matériaux bien différents, plus de 8 000 variantes recensées ressortissent à la désignation « acier », à savoir un alliage de fer, de carbone (théoriquement moins de 2 %, pratiquement 1,5 %) et de divers autres éléments (manganèse, silicium, traces de soufre, phosphore, azote). L'alliage est éventuellement complété par des additions de chrome, nickel, magnésium, tungstène, bore, molybdène, dont la teneur peut varier de quelques millionièmes (ppm) à plusieurs dixièmes (quelque 10 %). Les aciers sont classés selon leur composition. Ils sont dits « non alliés » lorsque le carbone est le seul élément ajouté ; « alliés » lorsqu'il y a encore d'autres éléments (« faiblement » si leurs teneurs sont inférieures à 5 %, « fortement » au-dessus). Leur nomenclature est normalisée dans chaque pays.

Il est pratique de caractériser les aciers d'après leur utilisation : aciers de construction, pour outillage, pour ressorts ou pour emboutissage. Ces désignations sont assorties de garanties de qualités, comme la dureté, la résistance à la déformation. Un autre mode d'identification fait référence à la structure de la matière. Ainsi, les aciers inoxydables portent souvent la mention de leur structure : austénitique, ferritique ou martensistique, qui sont autant d'indications pour les spécialistes sur leurs propriétés magnétiques, leur aptitude aux traitements thermiques ou au soudage. De nouvelles variétés d'acier sont caractérisées par leur métallographie. L'appellation « double phase » désigne des aciers très performants en résistance et en ductilité. Les dispersoïdes, peu chargés en éléments d'alliage, souvent appelés pour cette raison « micro-alliés », doivent à une structure de grain très spéciale leurs exceptionnelles aptitudes mécaniques à l'usinage ou au soudage.

Les minifilières

La fusion électrique des ferrailles récupérées a fait éclore des aciéries autonomes. Après fusion à l'arc ou par induction (pour les aciers spéciaux) et après décrassage, le bain reçoit les additions nécessaires. La mise en place d'une machine de coulée continue suffit pour constituer une mini-aciérie. Les premières unités, appelées Bresciani, ont été implantées près de Brescia, en Italie. D'autres ont suivi en Espagne, en France et aux États-Unis, souvent pour la production de ronds à béton. Les pays pauvres en ferrailles pallient cette insuffisance par l'association d'une installation de réduction directe des minerais.

Revêtement : l'arme anticorrosion

Ligne de galvanisation

Que ce soit pour l'automobile, l'électroménager ou la conserverie, les tôles d'acier sont revêtues, c'est-à-dire protégées contre la corrosion. Le fer-blanc est ainsi appelé à cause de la couche d'étain (pur ou allié à du chrome) qu'il reçoit classiquement par étamage dans un bain d'étain en fusion ou – procédé plus moderne – dans un bac d'électrolyse. Il peut être ensuite verni, imprimé, embouti ou soudé. La galvanisation s'opère de même, soit par trempage dans un bain de zinc fondu (ou enduction au rouleau), soit par électrozingage. Le dépôt, d'épaisseur contrôlée, est réalisé sur une face ou sur les deux. Il est constitué de zinc pur ou allié à du fer, de l'aluminium, du nickel ou du plomb. Les tôles destinées en particulier aux bardages et aux toitures sont prélaquées après galvanisation, l'application d'un film plastique pouvant accroître la durabilité de la peinture. L'acier peut aussi recevoir d'autres protections telles que le chromage (pièces décoratives ou boîtes pour aliments). Le plombage (alliage plomb-étain) est très utilisé pour les réservoirs d'automobiles.

Quels que soient le dépôt et la technologie employés, le métal de base doit être très propre pour un bon accrochage du revêtement. Sa surface est donc préalablement dégraissée et rincée. Ces opérations sont effectuées aujourd'hui en continu et peuvent même être complétées par un profilage en ligne, après galvanisation et mise en peinture. Quant au métal de base, le fer noir, la tendance est à la réduction de son épaisseur, jusqu'au-dessous du demi-millimètre, afin de satisfaire les utilisateurs, qui exigent des tôles de plus en plus légères.