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La fabrication du métal

Chaque métal a un mode d’élaboration différent. Cependant, avant de savoir comment ils sont fabriqués il est important de savoir d’où ils viennent. Passons en revue ensemble les différentes étapes, de l’extraction des minerais jusqu’à la formation des métaux. Ainsi, nous pourrons mieux comprendre comment ils sont recyclés.

Les métaux sont partout autour de nous et ils ont de nombreuses utilisations, en tant qu’éléments, alliages ou composés (calcium, cuivre, fer, etc.), mais savons d’où viennent-ils ?

Étymologiquement, un métal est une substance extraite d'une mine. Effectivement, la plupart des métaux purs – comme l’aluminium, l’argent et le cuivre – proviennent de la croûte terrestre. On les trouve dans les minerais qui se trouvent généralement dans la roche, à partir de laquelle le métal pur doit être extrait. Ces minerais peuvent chimiquement être de nature très diverse. Ce sont souvent des oxydes, comme la bauxite (minerai d’aluminium), l'ilménite (minerai de titane) ou l'hématite et la magnétite (minerais de fer). Il peut également s'agir de sulfates, comme la chalcopyrite (minerai de cuivre) ou la sphalérite (minerai de zinc). Il existe par ailleurs des silicates, des carbonates, et bien d'autres types de composés.

Les métaux sont rarement utilisés purs (à part l’or), pour deux raisons

  • ils contiennent des impuretés provenant des minerais d'origine ou bien introduits par le procédé d'élaboration ;
  • les alliages (mélange avec d’autres métaux) ont souvent des propriétés plus intéressantes.

Les métaux que nous voyons tous les jours sont produits par la conversion de minerais métalliques en produits finis. Dans la majorité des cas, ceci nécessite l’utilisation de produits chimiques et de technologies spéciales. Voyons ensemble comment se présente le processus de fabrication.

Il faut distinguer 4 grandes étapes dans le processus métallurgique, du minerai au produit fini.

La métallurgie primaire

Elle donne le premier produit que l’on peut qualifier de « métal ».

La métallurgie secondaire

Elle affine le métal, le purifie et lui donne la composition chimique compatible avec les propriétés attendues.

Le formage

Il donne le produit semi-fini : tôle, barre, tube, profilé, pièce moulée. C’est le domaine de la chaudronnerie.

L'usinage

Il permet par enlèvement de matière, de donner une forme précise à la pièce.

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La métallurgie primaire

Comme nous l’avons dit précédemment, la plupart des métaux sont présents naturellement à l'état oxydé c’est-à-dire sous forme de minerais (roches). La métallurgie primaire consiste, après récupération du minerai qui a été extrait en carrière, à séparer les différentes composantes de la roche puis réduire le minerai (désoxyder le métal).

Il existe différentes méthodes de séparation selon le métal traité

  • en utilisant une différence de densité, de flottabilité (décantation, centrifugation, filtration, flottaison)
  • en dissolvant une des phases dans une solution aqueuse, c’est la lixiviation(pour les minerais de cuivre et d’aluminium)
  • en créant une réaction avec un produit solide contenant de la silice (pour le minerai de nickel)
  • en le gazéifiant, c'est-à-dire en faisant réagir l'oxyde de métal pour le transformer en gaz (pour le minerai de titane avec du dichlore), puis en le séparant par distillation.

Une fois séparé des autres parties de la roche, l'oxyde métallique peut maintenant être réduit

  • par le monoxyde de carbone produit par la combustion de charbon (fer, cuivre)
  • par le dihydrogène (nickel)
  • par électrolyse — passage d'un courant électrique dans un liquide — (aluminium)

LA MÉTALLURGIE SECONDAIRE

La métallurgie secondaire concerne les opérations de purification du métal obtenu : dégazage, élimination des impuretés. Voici quelques techniques utilisées :

  • Mise sous vide du métal en fusion, pour en faire sortir les gaz.
  • Addition de produits pour piéger les impuretés dans une phase de densité différente que l’on peut éliminer facilement.
  • Bullage d'air ou de dioxygène pur (puddlage) pour oxyder certaines impuretés et les piéger.

LE FORMAGE

Les cinq principales opérations de formage sont la coulée en moule, le laminage, l'extrusion, l'estampage et la métallurgie des poudres.

  • La coulée en moule, ou fonderie, permet de fabriquer des pièces ayant leur forme quasiment définitive. Cela permet d’utiliser le minimum de matière lorsque les formes sont complexes. Pour les grandes séries, on peut utiliser des moules permanents métalliques. Pour les petites séries, on utilise des moules à usage unique fabriqués par empreinte d'un modèle dans un matériau malléable (moulage en sable, moulage à la cire perdue).
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  • Le laminage (généralement pour le fer) consiste à écraser le métal entre des rouleaux afin de l'allonger, pour lui donner soit une forme plate (tôle) soit une forme allongée (poutre, rail, profilé). L'extrusion consiste à pousser ou tirer la matière à travers un trou qui va donner la forme de la section. Cela permet d'obtenir une barre ou un tube.
  • L'estampage consiste à frapper (forger) le métal pour lui faire prendre la forme d'un moule. Comme la coulée, cette technique permet de réaliser des formes complexes avec un minimum de matière.
  • La métallurgie des poudres consiste à presser de la poudre métallique dans un moule puis à la chauffer pour souder les grains (frittage). L'opération est plus complexe, puisqu’il faut d’abord avoir de la poudre métallique ; en revanche, on ne passe pas par une phase de fusion, ce qui permet de mieux maîtriser la forme obtenue.

Le saviez-vous ?

Le laminage, l'extrusion et l'estampage peuvent se faire à chaud ou à froid, selon l'épaisseur de la pièce à obtenir et les propriétés du métal. Ils produisent un durcissement par écrouissage.

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L’usinage

 L'usinage consiste à enlever de la matière avec un outil de coupe. On utilise principalement deux techniques :

  • Le tournage, pour les pièces de révolution (cylindres, cônes, sphères) : l’objet tourne et l'outil avance dans l'axe (chariotage) ou selon un rayon (dressage).
  • Le fraisage: la pièce est bloquée et l'outil tourne et progresse dans la matière.

La difficulté de l'usinage tient à plusieurs paramètres qui permettent de déterminer la vitesse de rotation de la pièce (tournage) ou de l'outil (fraisage), la vitesse d'avancement de l'outil et la nécessité ou non de lubrifier.

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