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Métaux non ferreux


Plomb

Ses propriétés mécaniques sont médiocres mais sa résistance à la corrosion est en général très bonne.
Résistance à la traction1 kg/mm²
Limite élastique0,5 kg/mm²
Allongement à la rupture40%
A l'air, le plomb se couvre d'une pellicule d'hydrocarbonate qui protège le métal de la corrosion. Il peut convenir à la construction de canalisations d'eau, à condition que ses eaux contiennent suffisament de sels dissous, particulièrement des carbonates et des sulfates, afin de limiter la solubilité des sels de plomb.
Il résiste à l'acide sulfurique aux concentrations inférieures à 96% pour lesquelles l'acier carbone ne peut plus être utilisé, ainsi qu'aux anhydrides sulfureux (SO2) et sulfuriques (SO3). Il résiste également à l'acide phosphorique et à l'acide acétique concentré.
Par contre il ne résiste pas à l'acide chlorhydrique, ni à l'acide nitrique ou acétique dilué. Les bases l'attaquent.
Le plomb est surtout utilisé en feuilles ou projeté au pistolet, pour recouvrir et protéger de la corrosion l'intérieur de cuves ou d' éléments de tuyauterie construits en métaux mécaniquement plus résistants.
Il peut être durci par addition de 6 à 8% d'antimoine.
Sa toxicité rend sa mise en œuvre délicate surtout si des soudures sont nécessaires. C'est pourquoi son usage est de plus en plus restreint.

Cuivre et alliages

Cuivre pur

Le cuivre pur a une très bonne conductibilité électrique et une très bonne conductibilité thermique. C'est d'autre part un métal t:rès malléable mais ses propriétés mécaniques varient fortement en fonction du degré d'écrouissage.


Densité9
Température de fusion1083°C
Limite élastique Re0,240-440 MPa
Conductivité thermique
360 W/m/K
Dureté45-105 HB

Sa résistance à la corrosion est faible en présence d'oxygène dissout ou d'agents oxydants. Il faut noter que les ions cuivriques produits par l'action d'un acide sont eux même des agents oxydants et donc un milieu acide devient de plus en plus corrosifs avec l'accumulation des produits de corrrosion. Le cuivre et ses alliages sont également corrodés par l'ammoniaque et les amines en présence d'oxygène ou d'agent oxydant en raison des complexes solubles formés avec les ions cuivriques.
A la température ambiante, il n'est pas attaqué par l'air. En présence de gaz carbonique et d'eau, il se recouvre d'hydrocarbonate de cuivre. Il résiste mal aux acides, aux bases et aux sels.
Son excellente conductibilité thermique le destine à la construction de chaudières, de tuyauteries et d'échangeurs.

Laitons

Les laitons sont des alliages à base de cuivre et de zinc. Ils contiennent de 5 à 45% de zinc et éventuellement d'autres éléments tels que plomb, étain, manganèse, aluminium, ... qui ajoutés en faibles proportions permettent d'améliorer certaines propriétés.Ils présentent une excellente aptitude au matriçage, emboutissage, usinage ou frappe à froid.
Son usage est limité par sa faible résistance à la corrosion. Le problème potentiel pour les alliages à forte teneur en zinc est la dézincification. La dissolution sélective du zinc de l'alliage peut conduire à un matériau poreux et fragile sans modification de ses dimensions externes. Une addition d'une faible teneur en arsenic et un traîtement thermique particulier permet de limiter ce phénomène.

Les laitons font l'objet des normes:
 - NF A 51-102 (tubes d'échangeurs)
 - NF A 51-106 (barres)
 - NF A 51-115 (laminés pour échangeurs)
 - NF A 53-703 (produits moulés)

Laiton amirauté (CuZn29Sn1)

L'additon de 1% d'étain au laiton à 30% de zinc favorise la formation en service d'un film d'oxyde d'étain résistant et protecteur. Initialement destiné à la protection des coques de bateaux, sa principale application dans les industries de procédé est la fabrication de tubes d'échangeurs de chaleur et d'évaporateurs pour eaux acides mais peu salines.

Naval brass (CuZn38Sn1)

Comparable au laiton amirauté, il est utilisé pour la fabrication de plaques d'échangeurs.

CuZn22Al2

L'addition d'aluminium conduit à une bonne résistance à la corrosion-érosion. Utilisé pour la confection d'échangeurs en eau de mer.

Bronzes

Bronzes phosphore

Alliages de cuivre contenant entre 0,5 et 11% d'étain et jusqu'à 0,35% de phosphore pour le corroyage. Les alliages destinés à la fonderie peuvent aussi incorporer du plomb dans leur composition.
Il résistent bien à la corrosion atmosphérique et à l'eau. Leur grande résistance à l'usure permet de les utiliser pour la fabrication de paliers de machines.

Bronzes aluminium

Alliages de cuivre contenant typiquement de 9 à 12% d'aluminium et jusqu'à 6% de fer et de nickel.
Outre leur résistance à la corrosion, ils offrent une résistance mécanique plus élevée que les autres alliages de cuivre à température modérément élevée, qui permet de les utiliser jusqu'à 260°C (selon code ASME).
Ils sont principalement utilisés dans les applications en contact avec l'eau de mer.

Cupro-nickels

Alliages de cuivre contenant de 2 à 30% de nickel. Ils peuvent également être dopés par de faibles teneurs en fer, chrome, niobium ou manganèse pour améliorer les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion.
Ils résistent très bien à la corrosion par la vapeur d'eau ou l'air humide. Les alliages à haute teneur en nickel sont connus pour leur bonne résistance à l'eau de mer et aux dépots biologiques. Ceci les destine particulièrement à l'utilisation dans les équipements et accessoires alimentés en eau de mer.

Cupro-aluminiums

Les cupro-aluminiums contiennent de 4 à 15 % environ d'aluminium avec addition simultanée ou non de fer, nickel ou manganèse, à des teneurs maximales pour chacun de ces éléments de l'ordre de 5 %. Ils sont caractérisés par une bonne résistance aux différentes formes de corrosion chimique, et en particulier à la corrosion marine, alliée à des caractéristiques mécaniques élevées.

Aluminium et ses alliages

Aluminium pur

La pureté du métal obtenu par électrolyse varie de 99 à 99,9% selon les matières premières utilisées.
C'est un matériau léger; sa masse volumique 2,7g/cm3 est environ 1/3 celle de l'acier carbone.
 Des additions de cuivre, manganèse, silicium, magnésium, zinc ou chrome permettent d'obtenir des alliages aux propriétés mécaniques améliorées
Les propriétés mécanique de l'aluminium sont médiocres mais peuvent être suffisantes si les contraintes sont faibles (faible pression).

Densité2,7
Température de fusion660°C
Limite élastique Re0,2100 MPa
Conductivité thermique
240 W/m/K
Dureté28 HB 500

L'aluminium est particulièrement résistant à la corrosion atmosphérique, d'autant plus qu'il est pur. En particulier la présence de faibles concentrations de cuivre induisent une corrosion aux joints de grains de cuivre qui peut s'avérer dramatique pour l'intégrité du matériau.
C'est un métal très oxydable qui se transforme en alumine. Mais cette couche d'oxyde protège le métal contre une attaque ultérieure.
L'acide nitrique à faible et forte concentration ainsi que l'acide sulfurique concentré sont sans action.
L'aluminium résiste bien à l'eau distillée ou aux eaux peu minéralisées, mais résiste mal à l'eau de mer. Il résiste bien aux solutions aqueuses diluées dont le pH est supérieur à 4,5 ou inférieur à 9,5. Par contre les milieux acide (pH <4)  et les agents alcalins (pH>10) l'attaquent rapidement.
Il est compatible avec de nombreux composés organiques tels que aldéhydes, cétones, esters, amines, acides et anhydrides organiques s'ils sont secs. Par contreles composés organiques chlorés et les alcools peuvent réagir dangereusement.
Sa position dans la série galvanique fait qu'excepté avec le zinc, tout couple galvanique avec d'autres métaux doit être évité.
Il est utilisé pour la construction de réservoirs dans l'industrie de l'acide nitrique, de l'eau oxygénée. L'absence de toxicité le destine également à l'industrie agro-alimentaire.
La grande conductivité thermique de l'aluminium en fait un matériau de choix pour la confection d'échangeurs de chaleur chaque fois que cela est possible.

Alliages d'aluminium

Aluminium-Magnésium

L'addition de 5% de magnésium au maximum améliore sa résistance à la corrosion en milieu marin.

Aluminium-Cuivre

L'addition de 5% de cuivre au maximum permet de le rendre facilement déformable par emboutissage mais dégrade fortement sa résistance à la corrosion. Le plus connu est Au4G (Duralumin).
Pour une utilisation dans un équipement de procédé, la teneur en cuivre sera limitée à 2,5% pour préserver la résistance à la corrosion.

Les alliages utilisés dans les industries de procédé

Nom de l'alliageComposition (%)Usages
FeSiCuMnMgCrZnPb
1200
(Al 99%)
Echangeurs
Cryogénie
Acide nitrique
2017A
(AU4G)
0,54,00,70,7Pièces mécaniques
30030,70,60,11,00,1Echangeurs
Cryogénie
Acide nitrique
50830,74,40,15Echangeurs
Cryogénie
50860,44,00,15Echangeurs Cryogénie
70751,62,50,235,6Moules plasturgie

Nickel et ses alliages

Le nickel est ses alliages à haute teneur en nickel sont des matériaux dont la résistance à la corrosion est remarquable pour un large éventail d'environnements. Cependant certains sels et autres substances ont des effets spécifiques sur certaines compositions d'alliages.
Ils sont très utilisés dans l'industrie chimique.
Ils peuvent être répartis en deux catégories:
 - ceux dont la résistance dépend principalement du nickel lui-même
 - ceux dont la teneur en chrome permet une passivation de surface

Densité8,9
Température de fusion1455°C
Limite élastique Re0,2150 MPa
Conductivité thermique
70 W/m/K
Dureté

Nickel pur

Le nickel pur, aussi nommé Alloy 200, peut être utilisé tel quel comme matériau de construction d'équipement, ou bien en dépot ou placage sur acier.
Bonne résistance au chlore, à 1'acide chlorhydrique en l'absence d'oxydant ou d'ion oxydants (FeIII, CuII), aux chlorures métalliques, à la soude (concentration des lessives), au phénol. Il est utilisé dans les industries alimentaires. Le nickel par contre, est attaqué par les acides tels que HN03, H2S gazeux, ainsi que par l'ammoniac en présence d'oxydant.

Alliages Nickel-Cuivre

AlliageComposition (%)
CrCuMoFeNiCautres
Monel 400 312630,1Mn 2
Monel K500
30
2630,2Mn 1,5 Al 2,7 Ti 0,6

Ces alliages ont une meilleure résistance à la corrosion en milieu oxydant ou réducteur que le nickel. De plus leur structure (solution solide homogène) élimine les risques de corrosion électrochimique par formation de piles entre deux phases de l'alliage. Grace à l'addition de titane et d'aluminium le K500 présente de meilleures propriétés mécaniques.
Ce métal est utilisé dans les industries alimentaires, pétrochimiques (colonnes à distiller, vannes, échangeurs, chaudières, etc ... ), chimiques (fabrication du sulfate d'ammonium , des acides gras, des savons, des solvants chlorés, etc...).
Les alliages nickel-cuivre résistent mal aux sels acides oxydants, aux acides oxydants, au chlore,  au brome ... ainsi qu'à l'ammoniac en présence d'oxydant.

Alliages Nickel-Chrome-Fer

AlliageComposition (%)
CrCuMoFeNiCautres
600 (Inconel)16 8720,05Mn: 1
6252294610,05Nb: 3,5
C-276 (Hastelloy)16165,5570,005W: 4

Ces alliages sont utilisés particulièrement dans les industries alimentaires, la pétrochimie, l'industrie chimique. Ils résistent particulièrement bien à la corrosion à haute température. Ils peuvent être employés avec l'eau de mer chaude, des acides organiques bouillant, des mélanges d'acide chlorhydrique et nitrique chauds.

Alliages Nickel-Molybdène-Fer

AlliageComposition (%)
CrCuMoFeNiCautres
Hastelloy B28567Co 2,5  Mn 1
Hastelloy B228269Co 1  Mn 1
Hastelloy B3281,565Co 3  Mn 3

Utilisations: cet alliage présente la particularité de bien résister aux solutions d'acides non oxydants, acide chlorhydrique, sulfurique, phosphorique, dans des gammes de concentrations et de températures très étendues grâce à l'introduction d'un fort pourcentage de Mo.

Titane

Le titane se présente sous deux formes cristallines:
 - la phase alpha, hexagonale, stable en-dessous de 882 °C
 - la phase bêta cubique centrée, stable au-dessus de 882 °C.
L'addition d'éléments d'alliage favorise l'apparition des différentes phases et leur stabilité dans différents domaines de température.
Les alliages de titane se classent selon trois familles :
 - Les alliages alpha sont soudables, conservent de bonnes caractéristiques depuis les températures cryogéniques jusqu'à 500/550 °C et offrent une résistance à la corrosion exceptionnelle. Mais ils sont difficiles à former à froid.
 - Les alliages bêta sont soudables, formables à froid mais instables au-dessus de 350 °C et fragiles au-dessous de -70 °C. Les traitements thermiques sont efficaces et ces alliages sont souvent utilisés à l'état recuit ou traité.
 - Les alliages alpha-bêta ont des caractéristiques intermédiaires : bonne réponse aux traitements thermiques, stables sous contraintes jusque vers 450/500 °C, moins résistants au fluage, plus faciles à former et plus difficiles à souder et à usiner.
D'une manière générale, les alliages ont une meilleure résistance mécanique et une moins bonne résistance à la corrosion que les nuances de titane non allié. Le T40 (grade 2 ASTM), titane non allié de type alpha, est la nuance la plus utilisée dans les industries de procédé.
Le titane présente, à température élevée, une grande affinité pour l'oxygène, l'azote, le carbone et l'hydrogène.
Le titane doit sa résistance à la corrosion à une oxydation de surface. Cette protection a la particularité de se reproduire naturellement en cas de rayure.
Il est très résistant
 - aux halogènes (chlore, brome, iode ) à condition qu'ils soient humides
 - aux acides minéraux oxydants (nitrique, chromique, perchlorique)
 - aux gaz contenant SO2, CO2, H2S
 - aux chlorures, bromures, sulfures, sulfates, carbonates, chlorates
Une exposition du titane dans l'eau ou la vapeur d'eau à des températures supérieures à 90 °C provoque un épaississement du film d'oxyde qui réduit les vitesses de corrosion.
Son film d'oxyde est très résistant à l'abrasion, l'érosion ou la cavitation et autorise des vitesses élevées des flux procédé.

Propriétés physiques et mécaniques

Ti40 (Grade 2)
Densité4,51
Température de fusion1668°C
Limite élastique Re0,2275 MPa
Conductivité thermique22 W/m/K
Dureté160 HB

Zirconium

Le zirconium est un métal résistant et ductile même à basse température, facile à travailler. Il présentet une excellente résistance à la corrosion chimique, semblable ou supérieure à celle du titane. Sous forme de poudre il peut s'enflammer spontanément à l'air, ce qui impose certaines précautions pour le travailler.

Propriétés physiques et mécaniques

Zr 702
Zr 705
2-3% Nb
Densité6,526,64
Température de fusion1852°C1840°C
Limite élastique Re0,2207 MPa379 MPa
Conductivité thermique22 W/m/K17 W/m/K
Dureté145 HB

Le Zirconium est un métal ayant une grande affinité pour l'oxygène. Il forme facilement en surface une couche d'oxyde adhérante et imperméable qui protège le métal contre les attaques chimiques. Cette couche protectrice est améliorée par des traitements thermiques appropriés.
Il offre une excellente résistance dans la plupart des milieux acide organiques ou minéraux, les solutions salines, les bases fortes et quelques sels fondus.
En particulier on l'utilise en présence d'acide acétique, formique, chlorhydrique, nitrique même chaud.
Sa résistance à l'acide sulfurique est limitée à des concentrations inférieures à 50%.
Par contre il résiste mal aux solutions d'acide chlorhydriques contenant des sels oxydants tels que cuivriques ou ferriques, ainsi qu'au chlore humide.

Tantale

Le Tantale est le plus résistant chimiquement et le plus coûteux des métaux utilisés dans les industries de procédé.
C'est un métal qui lui même réagi facilement avec de nombreux réactifs, mais se couvre d'une couche d'oxyde (Pentoxyde Ta2O5) particulièrement adhérente et résistante qui lui confère une remarquable résistance aux agresseurs chimiques.

Propriétés physiques et mécaniques

TaTaW2,5
Densité16,616,6
Température de fusion2996°C3014°C
Limite élastique Re0,2 100 MPa150 MPa
Conductivité thermique54 W/m/K55 W/m/K
Dureté180 HV10
35 HB
115-160HV
55 HB

Limites d'utilisation du Tantale

Son domaine d'application est limité par la résistance de la couche d'oxyde protectrice.
Au dela de 190°C, la couche protectrice se transforme physiquement et perd son étanchéïté.
Cette couche d'oxyde est attaquée par:
- le fluor
- l'acide fluorhydrique ou les solutions acides contenant des ions fluorure
- l'acide sulfurique fumant ou l'oléum
- les solutions de base forte

Lorsqu'il est en contact avec un autre métal, le Tantale tend à prendre la position de cathode vis à vis de celui-ci, et si une corrosion électrolytique se développe, de l'hydrogène peut être formé à la surface du Tantale qui peut l'absorber et être fragilisé. Des ruptures d'équipements peuvent s'en suivre.

Applications du Tantale

Le Tantale est le seul métal pouvant être employé dans des milieux indifféremment oxydants ou réducteurs en présence de chlorures. Seuls le graphite, le PTFE ou le verre et l'émail peuvent aussi être utilisés dans ces milieux.
L'alliage de Tantale le plus courant dans les industries de procédé est le Ta-2.5W (2,5% de Tungtène).
Le Tantale est employé seul dans la confection de pièces complexes ou de petite taille, ou bien, pour des formes simples mais de taille importante sous forme de revêtement de faible épaisseur sur un support moins noble d'acier carbone ou d'acier inoxydable.

Plus sur le web

http://copperalliance.fr
Institut Européen du cuivre
http://www.euralliage.com
Site d'un négociant en métaux non ferreux présentant une excellente synthèse des propriétés et applications des alliages à base de cuivre et d'aluminium
http://www.nickel-alloys.net
Tout sur le nickel et ses alliages
http://www.timet.com
Tout sur le titane par un producteur US.
https://www.atimetals.com
Tout sur le zirconium

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