Quels sont les différents types d'aluminium ?

Du smartphone dans votre poche aux avions qui survolent nos têtes, l'aluminium joue un rôle essentiel dans l'ingénierie et la fabrication modernes. Il offre de nombreuses propriétés, comme la légèreté, la résistance et la résistance à la corrosion. Cependant, tous les aluminiums ne se valent pas. Ce métal est généralement mélangé à d'autres éléments pour former des alliages, chacun possédant des propriétés distinctes. Ce guide présente les différents types d'aluminium utilisés dans le secteur du prototypage rapide.

Types d'aluminium : aluminium forgé et aluminium moulé

On peut classer tous les alliages d'aluminium en deux grandes catégories : l'aluminium corroyé et l'aluminium moulé. La différence réside dans leur procédé de fabrication.

Aluminium forgé

Les alliages corroyés sont travaillés mécaniquement (laminage, extrusion ou forgeage) pour obtenir la forme souhaitée et des propriétés mécaniques améliorées. Ce procédé de fabrication aligne la structure granulaire du métal, ce qui lui confère une résistance à la traction et une ductilité supérieures à celles des alliages d'aluminium coulés. Les alliages d'aluminium corroyés sont les plus courants et représentent la majorité des produits en aluminium.

Ils sont identifiés par un système de numérotation à 4 chiffres (par exemple, 7075, 6061) établi par l'Association de l'aluminium.

• Premier chiffre : Indique l’élément d’alliage principal ou la série d’éléments.
• Deuxième chiffre : Indique une modification de l’alliage d’origine.
• Troisième et quatrième chiffres : permettent d’identifier l’alliage spécifique au sein de la série.

Fonte d'aluminium

Les alliages moulés sont produits en faisant fondre l'aluminium puis en le coulant dans un moule pour lui donner une forme précise. Cette méthode est efficace pour la fabrication de pièces aux géométries complexes, comme les blocs-moteurs ou les carters de transmission. Bien que leur résistance à la traction soit inférieure à celle des alliages forgés, les alliages d'aluminium moulés sont économiques pour une production en grande série.

Ils sont identifiés par un système à 3 chiffres avec une virgule décimale (par exemple, 356.0).

• Premier chiffre : indique la série d’alliage.
• Deuxième et troisième chiffres : permettent d’identifier l’alliage spécifique.
• Chiffre après la virgule : indique la forme (moulage ou lingot).

Qualités d'alliages d'aluminium corroyés

La série des alliages corroyés est la plus vaste et se divise en fonction de l'élément d'alliage principal, qui détermine les caractéristiques fondamentales du matériau.

Série 1000

Cette série est composée d'aluminium pur à au moins 99 %, avec des traces de fer et de silicium comme principales impuretés. Ces alliages ne peuvent être renforcés par traitement thermique ; leur renforcement s'effectue par écrouissage ou travail à froid. Leur pureté leur confère une résistance exceptionnelle aux attaques chimiques et aux intempéries, ainsi qu'une conductivité électrique et thermique supérieure. L'aluminium 1100 est un alliage commercialement pur, reconnu pour son excellente usinabilité, ce qui le rend idéal pour le formage de formes complexes. Il est largement utilisé dans les industries chimiques et agroalimentaires pour la fabrication de réservoirs et de conteneurs de stockage. L'aluminium 1350 est un alliage spécifique à pureté contrôlée garantissant une conductivité électrique élevée, ce qui en fait la norme pour les barres omnibus et le câblage électrique.

Avantages :

• Résistance exceptionnelle à la corrosion : sa grande pureté lui confère une résistance élevée aux attaques chimiques et aux intempéries.
• Excellente maniabilité : Très souple et ductile, il est facile à façonner en formes complexes.
• Haute conductivité : Elle possède une conductivité électrique et thermique supérieure, ce qui la rend idéale pour les applications connexes.

Inconvénients :

• Très faible résistance : Il possède la plus faible résistance mécanique de toutes les séries d'aluminium, ce qui limite son utilisation structurelle.
• Non traitable thermiquement : sa résistance ne peut être augmentée que par écrouissage (écrouissage).
• Mauvaise usinabilité : sa texture molle peut la rendre « collante » et difficile à usiner proprement.

Série 2000

Le cuivre est le principal élément d'alliage de cette série, conférant à ces alliages une résistance mécanique importante grâce à un traitement thermique de mise en solution et à un durcissement structural. Ils présentent l'un des meilleurs rapports résistance/poids de tous les alliages d'aluminium, rivalisant avec celui de l'acier doux. Cependant, la présence de cuivre les rend plus sensibles à la corrosion, nécessitant souvent un revêtement protecteur ou un placage en alliage d'aluminium plus pur (Alclad). Ils sont également réputés difficiles à souder par fusion, car ce procédé peut entraîner des fissures. L'aluminium 2024 est l'alliage aéronautique par excellence, prisé pour sa haute résistance et son excellente résistance à la fatigue. C'est le matériau de prédilection pour les structures soumises à des contraintes, telles que les fuselages et les revêtements d'ailes. L'aluminium 2011, auquel on ajoute du plomb et du bismuth, est connu comme un alliage « à usinage facile », conçu pour la production de pièces complexes sur des tours automatiques.

Avantages :

• Très haute résistance : après traitement thermique, sa résistance peut être comparable à celle de l'acier doux.
• Excellent rapport résistance/poids : il offre une résistance élevée pour un poids très faible, ce qui est crucial pour l’aérospatiale.
• Haute résistance à la fatigue : il peut supporter des cycles de contrainte répétés sans défaillance, ce qui le rend durable.

Inconvénients :

• Faible résistance à la corrosion : la présence de cuivre le rend sensible à la corrosion, nécessitant souvent des revêtements protecteurs.
• Mauvaise soudabilité : Le soudage par fusion est difficile car le matériau est sujet à la fissuration.
• Coût plus élevé : Il s’agit d’alliages spécialisés à hautes performances, plus chers que les alliages d’usage général.

Série 3000

Le manganèse est le principal élément d'alliage de cette série, offrant une résistance légèrement supérieure à celle de la série 1000. Ces alliages ne sont pas traitables thermiquement et leur renforcement repose sur l'écrouissage. Ils conservent l'excellente formabilité et la résistance à la corrosion de l'aluminium pur, ce qui en fait un choix populaire pour les applications courantes. L'aluminium 3003 est l'alliage d'aluminium le plus répandu. Environ 20 % plus résistant que l'aluminium 1100, il constitue un matériau pratique et économique pour les ustensiles de cuisine, les réservoirs de stockage et les échangeurs de chaleur. L'aluminium 3004, auquel on ajoute du magnésium, est plus résistant que le 3003 et est le principal alliage utilisé pour la fabrication des canettes de boissons en aluminium.

Avantages :

• Bonne formabilité : Il est très malléable et peut être facilement façonné en diverses formes.
• Bonne résistance à la corrosion : Il conserve une grande partie de la résistance à la corrosion de l'aluminium pur.
• Économique : Il offre un bon équilibre de propriétés à un coût relativement bas pour un usage général.

Inconvénients :

• Résistance modérée : Sa résistance est légèrement supérieure à celle de la série 1xxx.
• Non traitable thermiquement : comme la série 1xxx, il ne peut être renforcé que par travail à froid.

Série 4000

L'ajout de silicium abaisse considérablement le point de fusion de l'aluminium et augmente sa fluidité à l'état fondu, sans pour autant le rendre cassant. Cette caractéristique unique fait de la série 4000 un matériau idéal pour l'assemblage. La plupart des alliages de cette série ne sont pas traitables thermiquement, bien que certains, contenant du cuivre ou du magnésium, puissent l'être.

L'alliage 4043 est l'un des alliages d'apport les plus utilisés pour le soudage et le brasage, notamment pour l'assemblage des alliages de la série 6xxx. Ses excellentes propriétés d'écoulement garantissent une liaison propre et résistante. L'alliage 4032, qui contient également du magnésium et du nickel, est traitable thermiquement et présente un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui en fait un matériau de choix pour les pistons de moteurs forgés haute performance.

Avantages :

• Excellent pour le soudage/brasage : son bas point de fusion en fait un matériau d’apport idéal pour l’assemblage d’autres alliages d’aluminium.
• Bonne fluidité : Il s'écoule très bien à l'état fondu, assurant une liaison complète et solide.
• Faible dilatation thermique : Certains alliages de cette série (comme le 4032) sont appréciés pour leur stabilité dimensionnelle à haute température.

Inconvénients :

• Ne convient pas à un usage structurel : il n’est généralement pas utilisé pour les composants structurels principaux.
• Faible ductilité : Il est plus fragile que de nombreuses autres séries d'aluminium.
• Mauvaise finition d'anodisation : la forte teneur en silicium peut entraîner une coloration gris foncé ou noire de la surface après anodisation.

Série 5000

Le magnésium est le principal élément d'alliage et confère à ces alliages une combinaison optimale de résistance, de ductilité et de résistance à la corrosion. Renforcés par écrouissage et par solution solide, ces alliages présentent la plus haute résistance de tous les alliages d'aluminium non traitables thermiquement. Ils sont particulièrement résistants à la corrosion en milieu marin.

L'aluminium 5052 est un alliage très polyvalent offrant une excellente formabilité et une grande durabilité. C'est un matériau de choix pour les applications marines, les réservoirs de carburant et la fabrication de tôles en général. L'aluminium 5083 offre une résistance encore plus élevée et est utilisé pour des applications plus exigeantes telles que la construction navale, le transport ferroviaire et les appareils à pression.

Avantages :

• Excellente résistance à la corrosion : Il est très résistant à la corrosion, notamment en milieu salin.
• Haute résistance (non traitable thermiquement) : Il possède la plus haute résistance de tous les alliages d’aluminium non traitables thermiquement.
• Bonne soudabilité : Il se soude facilement et conserve une grande partie de sa résistance dans la zone de soudure.

Inconvénients :

• Sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) : une exposition prolongée à des températures supérieures à 150 °F (65 °C) peut le rendre vulnérable à la SCC.
• Non traitable thermiquement : la résistance ne peut être augmentée que par écrouissage.
• Plus difficile à extruder : Il est moins adapté à la création de formes extrudées complexes que la série 6xxx.

Série 6000

Cette série contient du magnésium et du silicium, qui forment ensemble du siliciure de magnésium. Ce composé permet aux alliages de subir un traitement thermique de mise en solution et un vieillissement artificiel (durcissement par précipitation) afin d'accroître significativement leur limite d'élasticité. Ces nuances sont reconnues pour leur excellente extrudabilité, leur bonne résistance, leur formabilité et leur résistance à la corrosion. Cependant, elles peuvent être sensibles à la fissuration lors du soudage. L'aluminium 6061 est l'un des alliages traitables thermiquement les plus polyvalents et les plus utilisés. Il offre une excellente combinaison de propriétés mécaniques et est utilisé pour une vaste gamme de produits, notamment les cadres de vélos, les composants structuraux et les bouteilles de plongée. L'aluminium 6063 est connu comme « alliage architectural » en raison de son état de surface supérieur et de sa haute résistance à la corrosion, ce qui le rend idéal pour les extrusions telles que les cadres de fenêtres et de portes.

Avantages :

• Traitable thermiquement : Sa résistance peut être considérablement augmentée par traitement thermique.
• Excellent pour l'extrusion : c'est la série d'alliages la plus facile à extruder en formes complexes et elle offre une excellente finition de surface.

Inconvénients :

• Force modérée : Elle n'est pas aussi forte que les séries 2xxx et 7xxx.
• Résistance réduite après soudage : la zone autour d’une soudure perd une part importante de sa résistance jusqu’à ce qu’elle soit à nouveau traitée thermiquement.
• Sensibilité aux fissures : Certaines procédures de soudage peuvent entraîner des fissures si elles ne sont pas réalisées correctement.

Série 7000

Le zinc est le principal élément d'alliage de cette série, souvent combiné au magnésium et au cuivre. Ces ajouts permettent aux alliages de la série 7xxx d'atteindre, par traitement thermique, les plus hautes résistances de tous les alliages d'aluminium. Leur rapport résistance/poids exceptionnel les rend indispensables pour les applications hautes performances. Cependant, cette haute résistance s'accompagne d'une ténacité à la rupture plus faible et d'une faible résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, bien que de nouveaux traitements thermiques aient amélioré ces propriétés. Ils sont également difficiles à souder. L'aluminium 7075 est l'alliage de référence pour l'aéronautique, utilisé pour les pièces fortement sollicitées comme les longerons d'aile et les trains d'atterrissage. L'aluminium 7050 est un alliage plus avancé qui offre un meilleur équilibre entre résistance, ténacité à la rupture et résistance à la corrosion, notamment pour les sections épaisses, ce qui le rend idéal pour les structures et les cloisons de fuselage des avions.

Avantages :

• Résistance maximale : Ce sont les alliages d’aluminium les plus résistants, avec des niveaux de résistance pouvant surpasser certains aciers.
• Excellent rapport résistance/poids : il offre les meilleures performances pour les applications où le poids et la résistance sont essentiels.
• Bonne usinabilité : Il peut être usiné avec un niveau de finition très élevé.

Inconvénients :

• Mauvaise soudabilité : Il est très difficile à souder et les méthodes de soudage par fusion sont déconseillées.
• Coût plus élevé : Il s’agit de l’un des alliages d’aluminium les plus chers en raison de ses éléments d’alliage et des exigences de traitement.
• Résistance à la corrosion inférieure : Il est plus sensible à la corrosion et à la fissuration par corrosion sous contrainte que les séries 5xxx et 6xxx.

Qualités courantes pour l'usinage CNC

Pour l'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC), les propriétés d'un alliage doivent permettre une coupe nette sans usure excessive de l'outil.

Qualités courantes pour la fabrication de tôles

Pour la fabrication de tôles, qui implique le pliage et le formage, la ductilité d'un alliage est primordiale pour éviter les fissures.

Quel est le type d'aluminium le plus résistant ?

De manière générale, les alliages de la série 7000 sont les alliages d'aluminium les plus résistants disponibles sur le marché. L'aluminium 7075-T6 (ayant subi un traitement thermique spécifique) offre une résistance à la traction supérieure à celle de nombreux aciers, tout en étant trois fois plus léger.

Cependant, « le plus résistant » ne signifie pas toujours « le meilleur ». L’extrême résistance des alliages de la série 7000 s’accompagne de compromis :

• Résistance à la corrosion inférieure : Ils sont plus sensibles à la corrosion que les alliages 5000 ou 6000.
• Mauvaise soudabilité : Ils sont difficiles à souder par les méthodes conventionnelles.
• Coût plus élevé : Leur production est plus coûteuse.

Le choix de l'alliage est toujours une décision d'ingénierie qui met en balance le besoin de résistance et d'autres facteurs critiques tels que la durabilité, la facilité de fabrication et le coût.