L’aluminium : le métal aux propriétés multiples

L’aluminium est un métal découvert au XIXe siècle. Cet élément chimique dispose du numéro 13 et du symbole Al. De couleur argent, ce métal est assez malléable, mais dispose d’une grande résistance à la corrosion.

Sa légèreté et sa résistance lui confère une importance particulière, notamment dans le secteur industriel. Ses particularités sont utilisées dans plusieurs domaines d’application, et ce, jusqu’à maintenant. Sous forme pure ou alliée, les produits issus de l’aluminium sont visibles partout, et sont nécessaires au confort du quotidien.

Quelles sont les origines de l’aluminium ?

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Contrairement aux autres métaux, l’aluminium n’a été découvert qu’au XIXe siècle au croisement des deux révolutions industrielles. La raison de cette découverte tardive est que, l’aluminium n’existe dans la nature que sous forme de composés . Et pourtant, c’est le métal le plus abondant de l’écorce terrestre.

A l’état natif, l’aluminium est trop réactif pour exister dans le milieu naturel, il est retrouvé sous forme combinée dans plus de 270 minéraux différents, son minerai principal étant la bauxite. Justement, c’est par le biais du composé appelé alun qu’on a isolé cet élément métallique, appelé aluminium.

C’est Friedrich Wöhler qui a pu isoler l’aluminium par action du potassium sur le chlorure d’aluminium, obtenant une poussière grise d’aluminium. Il est le premier à mettre en évidence les propriétés physiques et chimiques de cet élément métallique.

Cependant, le premier processus d’obtention de l’aluminium est assez coûteux. Cela limitait la production de cet élément à des objets de luxe et de grande valeur. Cela lui a valu le titre de métal semi-précieux, souvent associé à l’or et à l’argent et incrusté de pierres précieuses dans les parures de bijoux.

Voici la chronologie des découvertes de l’aluminium afin de retracer les pas de ce métal aux multiples facettes :

  • 1821 : c’est dans la région Baux-de-Provence que le minéralogiste et ingénieur français Pierre Berthier a trouvé et analysé un minerai ayant une forte teneur en alumine. Ce minerai de couleur rouge a été appelé Bauxite, et s’imposera comme le principal minerai d’aluminium.
  • 1854 : le chimiste Français Henri Sainte-Claire a découvert le procédé chimique de fabrication de l’aluminium. Pour cela, il a effectué un procédé de réduction de chlorure double d’aluminium par le sodium, ce qui a créé des globules d’aluminium pur.
  • 1886 : parallèlement, le Français Paul Héroult et l’Américain Charles Martin Hall ont trouvé le moyen de produire l’aluminium à l’échelle industrielle. Leur procédé consiste à plonger de l’alumine dans un bain de cryolithe et en décomposer le mélange par électrolyse afin d’obtenir un métal brut en fusion. Ce procédé permet de produire de l’aluminium de manière plus économique, et reste utilisée jusqu’à maintenant.
  • 1887 : cette année est marquée par la création de la Société Electrométallurgique Française. Il s’agit de la première usine qui dispose de cuves de fabrication industrielle d’aluminium électrolyte en France.
  • 1888 : c’est en Russie que le chimiste autrichien Karl Bayer fait breveter un procédé qui consiste à transformer le minerai de bauxite en alumine.
  • 1907 : dans la région de Savoie en France, l’usine de Saint-Jean-de-Maurienne a vu le jour. Cette usine, qui deviendra ensuite la Compagnie Pechiney, dispose de cuves de 10 000 ampères.

Propriétés de l’aluminium

De couleur argent-gris mat, l’aluminium de nature très malléable et ductile. Il peut être travaillé à basse température sans subir une quelconque déformation. C’est également est un métal mou et très léger. En effet, sa densité n’est que de 2,7 g/cm3, soit environ un tiers de celle de l’acier ou du cuivre. Grâce à sa résistance mécanique, l’aluminium est utilisé sous forme d’alliages, dont il est le composant principal.

Ainsi, la résistance de l’alliage dépend de l’application requise. Il est à noter que l’aluminium est naturellement résistant à la corrosion en raison d’une couche d’oxyde qui le protège. Mais on peut aussi effectuer un traitement en surface afin de renforcer cette capacité, comme l’anodisation ou le laquage.

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Un autre atout de l’aluminium est sa conductivité thermique et électrique. La conductivité thermique de l’aluminium est utilisée dans plusieurs secteurs axés dans le refroidissement. Ce métal offre également une conductivité électrique deux fois supérieure que celle du cuivre, d’où son utilisation dans les domaines de transport d’électricité haute tension sur grande distance.

Même en étant réduit à un état de faible épaisseur, la feuille d’aluminium est totalement imperméable et bloque la lumière, les micro-organismes, et même les odeurs. Il dispose aussi de propriétés réfléchissantes, ce qui lui permet de réfléchir la lumière et la chaleur. L’aluminium est 100 % recyclable et il n’est sujet à aucune dégradation de ses caractéristiques. De plus, le recyclage de ce métal ne nécessite que 5 % de l’énergie employée pour la fabrication du métal primaire.

La production de l’aluminium

Remarquable pour sa résistance à l’oxydation et sa faible densité, l’aluminium est le deuxième métal le plus malléable, ce qui lui permet d’être facilement moulé et usiné. Il est aussi paramagnétique et ne provoque pas d’étincelles. Les principaux pays producteurs d’aluminium sont la Chine, la Russie et le Canada.

Selon des données statistiques, la production mondiale d’aluminium primaire en 2015 est estimée à 60 millions de tonnes. Pour la production de cet élément métallique, le matériau de base est la bauxite. En effet, ce minerai rouge constitue 8 % de la masse de l’écorce terrestre. Ce minerai composite contient 40 % à 60 % d’oxyde d’aluminium hydraté, mélangé à de la silice et à l’oxyde de fer.

Aluminium pur

Aluminium pur

A haute température et sous forte pression, on attaque la bauxite par de la soude. Le résultat de ce processus se présente sous la forme de liqueur appelée aluminate de sodium. Il suffit, ensuite, de se débarrasser des impuretés suivi d’une dilution et d’un refroidissement, ce qui aboutit à une précipitation d’oxyde d’aluminium hydraté. Il ne reste qu’à récupérer la poudre blanche, connue sous le nom d’alumine. Il est à noter que 90 % de l’alumine est utilisé pour la fabrication de l’aluminium.

Pour arriver à une dissolution parfaite, l’alumine est plongée dans un bain de cryolithe ainsi que divers sels, à une température de 960°C. Un courant de haute intensité traverse la cuve et dépose l’aluminium liquide au fond. Un siphonnage est nécessaire afin de le récupérer et le conduire en fonderie. La fonderie joue un rôle de traitement et de mise en forme.

On fait appel, ensuite, à des éléments d’addition afin de créer différents types d’alliages. Le but est d’améliorer les performances du métal pour des utilisations spécifiques. Le taux d’addition des autres éléments varie en fonction des propriétés que l’on veut donner à l’aluminium.

La transformation de l’aluminium

Afin de fabriquer les différents produits en aluminium et en alliage d’aluminium, ce métal passe par une des 3 types de transformation, qui sont le laminage, le filage et la fonderie. Tous les produits de consommation mondiale traversent ces 3 processus de mise en forme avant de se positionner sur le marché.

  • Le principe de laminage : effectué en continu, ce procédé a pour but de réduire l’épaisseur d’une plaque de métal par passages successifs entre des cylindres. L’effet de cette action est l’écrasement et l’étirement de l’aluminium. Avec une plaque de 50 cm d’épaisseur, il est possible d’obtenir des bandes d’aluminium de quelques microns d’épaisseur. Le principe de laminage d’aluminium se fait en 2 étapes, qui sont le laminage d’ébauche à chaud et le laminage de finition à froid. Il est à noter que la consommation mondiale de demi-produits laminés est d’environ 50 % de la consommation totale.
  • Le principe de filage : ce processus permet la production de profilés aux sections et formes diversifiées, en plein, en creux ou en semi-creux. Ce procédé offre d’innombrables solutions techniques qui sont très utiles aux secteurs industriels, tels que le bâtiment, le transport ou bien l’aéronautique. Les profilés d’aluminium sont les facteurs des progrès technologiques actuels, car ils disposent des qualités et des propriétés indispensables aux différentes firmes.
  • Le principe de la fonderie : ce procédé traite l’aluminium à l’état liquide. En effet, la fonderie permet de liquéfier des plaques d’aluminium et de modeler le liquide obtenu selon les demandes. L’aluminium ou l’alliage liquide est versé dans une moule afin de reproduire une pièce, après refroidissement. Avec ce processus, les travaux de finition sont assez moindres. De plus, cela permet une mise en forme précise et sur-mesure des produits. Les domaines d’activités qui font appel au principe de fonderie sont constitués par le secteur de l’automobile, les matériels de manutention, les équipements industriels, les matériels électriques et aéronautiques.

Après être passé par une de ces transformations, l’aluminium peut être sujet à des traitements de surface. En effet, ce matériau peut se marier avec toutes les couleurs possibles. Cependant, il existe 2 types de traitement de surface. L’anodisation est un traitement exclusif à l’aluminium, et le thermo-laquage est un traitement qui permet de peindre le matériau à vie.

Le recyclage de l’aluminium

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Le recyclage est un processus qui permet d’économiser les ressources et de réduire les déchets. En effet, ce procédé est essentiel pour le programme de développement durable. Pour ce qui est de l’aluminium, il est 100 % recyclable indéfiniment sans perte de ses propriétés physiques et chimiques.

Lors de la production primaire d’aluminium, la consommation d’électricité est extrêmement élevée. Cependant, le recyclage ne nécessite que 5 % de l’énergie consommée pour la production initiale. Le recyclage de 1 kg d’aluminium permet d’économiser 4 kg de bauxite.

De nos jours, le stock d’aluminium à recycler continue de grimper, car plus un produit contient de l’aluminium, plus il a de chance d’être recyclé. Selon les experts, « environ 75 % du métal produit en 1880 est encore en utilisation aujourd’hui, après réutilisation. » Cela constitue d’importantes ressources à moindre coût énergétique pour une utilisation future.

 Les domaines d’application de l’aluminium

L’aluminium est un matériau très utilisé dans tous types d’industries. En tonnage et en valeur, l’aluminium est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté et sa bonne conductivité électrique et thermique. Il peut être utilisé sous forme pure ou alliée, avec de petites quantités de cuivre, de magnésium, de manganèse ou encore de silicium. Les propriétés avantageuses de l’aluminium lui confèrent un usage multiple. En effet, de nombreux secteurs font appel à ce métal pour l’élaboration et la fabrication de leurs produits.

Le secteur du transport

L’aluminium est utilisé dans tous les moyens de transport en raison de sa résistance et de sa légèreté. Le secteur de l’automobile utilise ce métal pour la fabrication de pièces en tous genre, telles que carter, le bloc-moteur, les jantes, et bien d’autres encore. Selon l’étude publiée par Ducker Worldwide en coopération avec la European Aluminium, le taux d’aluminium présent dans les voitures produites en Europe a triplé, de 1990 à 2013.

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En effet, le poids total d’aluminium dans une voiture est passé de 50 à 145 kg en 2013 ; et il est possible que ce chiffre passe à 160 ou 180 kg en 2020. Cela montre bien l’intérêt que portent les constructeurs sur les propriétés avantageuses de l’aluminium. En effet, l’aluminium offre un allègement du poids de la voiture, ce qui entraîne une diminution de la consommation de carburant.

Une diminution de 100 kg réduit la consommation de carburant de 0,315 litre/100 km, et de 8 g les émissions de CO2 par km. La résistance de ce métal en fait également son atout principal. En effet, il améliore la tenue de route en abaissant le centre de gravité du véhicule, et réduit aussi la distance de freinage.

Pour ce qui est de la construction spatiale et aéronautique, l’aluminium est un métal très prisé en raison de sa légèreté. En effet, il est possible de constater que le pourcentage des alliages d’aluminium dans les avions est estimé à 80 % environ. Cette légèreté est fortement utilisée dans la production des airbus, Boeings ou bien les fusées Ariane.

L’aluminium est également très utilisé dans la construction navale. Effectivement, ce métal dispose d’une grande résistance à la corrosion, d’où son aisance d’adaptation dans le milieu marin. Ce métal est employé pour construire les mats, les ponts, les superstructures des bateaux de plaisance ou des paquebots. Les NGV ou navires à grande vitesse ont également vu le jour grâce à l’aluminium. Les constructeurs ont su employer la légèreté de ce métal pour rendre les bateaux plus rapides, comme les ferries qui peuvent atteindre une vitesse de 50 nœuds.

L’aluminium joue également un rôle considérable dans la mise au point du TGV « Duplex ». La nature malléable de ce métal autorise la conception de profilés de grandes longueurs pour faciliter la construction de nouvelles structures pour les voitures de TGV. Il est à noter que les performances techniques du TGV « Duplex » se sont grandement améliorées grâce aux propriétés avantageuses de l’aluminium.

Effectivement, les capacités d’accélération et de freinage sont plus performantes, la charge au niveau de l’essieu est fortement réduite, l’usure des roues et des rails connaissent aussi une diminution remarquable. Ce métal participe grandement à la performance technique de l’appareil, mais contribue aussi au confort des passagers en absorbant les vibrations et les éventuels chocs. L’aluminium répond également aux exigences de sécurité et de résistance propres à un TGV.

Le secteur du bâtiment

L’aluminium offre une très vaste possibilité d’application dans le domaine du bâtiment et des travaux publics. Sous forme de profilés, ce métal est idéal pour la production des mûrs-rideaux, les vérandas, les cadres de fenêtre et autres constructions vitrées.

Sous forme de laminés, l’aluminium permet la fabrication de volets roulants, toitures, panneaux muraux, panneaux isolants  et bien d’autres encore. L’aluminium est également utilisé pour des constructions telles que les plateformes pétrolières, les ponts d’atterrissage pour les hélicoptères, les échafaudages, les échelles, et même les locaux d’habitation.

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Actuellement, les particuliers optent pour l’aluminium pour la rénovation de leur habitation. Non seulement, ce métal offre une touche d’esthétique, mais sa malléabilité apporte une facilité de conception à l’architecte. Cet avantage permet à l’aluminium d’épouser la structure d’origine du bâtiment tout en sublimant la beauté de la maison. Dans le neuf, l’aluminium permet la réalisation de grandes baies vitrées.

En effet, les nouvelles constructions actuelles disposent de grandes baies vitrées afin d’améliorer les apports solaires et lumineux. Avec une masse égale, l’aluminium offre une plus grande résistance et plus de rigidité que les autres matériaux. Il permet également la mise en place de grandes surfaces vitrées dans des cadres très fins. Cette amélioration de l’apport solaire et lumineux dans la maison constitue un grand avantage surtout au niveau de l’économie d’énergie.

L’emballage

L’aluminium en tant que produit d’emballage est courant dans la vie quotidienne. Pour la préservation des aliments et sa facilité de recyclage, l’aluminium est le matériau par excellence. On distingue des emballages souples comme les briques alimentaires, qui sont associés à du plastique ou du papier.

D’autres emballages souples sont exclusivement constitués d’aluminium, tel que les opercules de yaourt, les capsules de bouchages ou de surbouchage de vins et de spiritueux, le conditionnement des médicaments, du chocolat. Les emballages rigides sont destinés au conditionnement des boissons, les boites de conserve, les bombes aérosols. Aux Etats-Unis, les applications rigides, notamment les cannettes, connaissent un essor fulgurant.

Emballages en aluminium

Emballages en aluminium

L’aluminium est un matériau de choix pour l’emballage parce qu’il répond aux normes imposées et aux besoins des consommateurs en terme de conservation et de distribution des produits. Ce métal est doté d’une résistance à la corrosion et offre un haut niveau de protection et de sécurité aux produits. Les aliments et les autres types de produits sont préservés, car l’aluminium procure une barrière imperméable à la lumière, aux rayons ultraviolets, à la vapeur d’eau, à la graisse, à l’oxygène et aux micro-organismes.

Impact de l’aluminium sur la santé et l’environnement

Actuellement, les produits en aluminium se propagent partout. Cependant, beaucoup ignorent si ce métal constitue un risque pour la santé. Ainsi, les industries d’aluminium suivent de près les études scientifiques relatives à l’aluminium et ses usages multiples. Selon les résultats de ces études, une forte concentration de ce métal peut engendrer des problèmes de santé.

Vu que l’aluminium fait partie du quotidien, il peut être absorbé par le biais de la nourriture, la respiration, ou par contact avec la peau. Cependant, l’absorption de ce métal pendant une longue durée peut provoquer des dommages au sein du système nerveux central, une perte de mémoire, l’apathie, des tremblements, et même la démence. Ce métal constitue un véritable danger, notamment dans les lieux de travail tels que les mines, ou les usines spécialisées dans la production de produits en aluminium.

Lingot en aluminium

Lingot en aluminium

En ce qui concerne son impact sur l’environnement, l’acidification des sols constitue un grand problème. En effet, des études ont révélé que dans un sol acide, l’aluminium peut être soluble et peut obtenir une forte activité biocide. Accumulé par les plantes et consommé par les animaux, il peut provoquer des problèmes de santé graves.

Dans les lacs acidifiés, l’aluminium est plus concentré, ce qui est néfaste pour les poissons et les grenouilles. Une forte concentration dans l’air a également un effet sur les oiseaux dont la coquille des œufs devient plus fine, et des poussins dont le poids à la naissance est plus faible. L’aluminium attaque aussi les poumons des animaux, ce qui peut causer une baisse de ses activités. Ce métal peut causer de nombreux dégâts sur la nature, en acidifiant les sols et en endommageant les racines des plantes.

Évolution du cours de l’aluminium

L’aluminium reste encore un matériau au prix abordable. En Mai 2016, le cours d’aluminium avoisine les 1532 $ la tonne.

Évolution du cours de l'aluminium en euro sur un an

Évolution du cours de l’aluminium en euro sur un an