Alliages de magnésium

Définition des alliages de magnésium

Le magnésium, le métal structurel le plus léger, a une densité d'environ un tiers de celle de l'aluminium. Les alliages de magnésium obtiennent leurs propriétés améliorées en alliant le magnésium à plusieurs autres métaux.

• Les alliages corroyés qui sont destinés à supporter une déformation plastique importante pendant la fabrication.
• Alliages coulés développés pour des applications nécessitant des formes complexes.

Dans les deux cas, les éléments d'alliage couramment utilisés sont l'aluminium, le zinc, le silicium, le manganèse, etc.

Histoire des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium ont considérablement évolué au cours du siècle dernier en fonction des exigences des différentes industries et domaines dans lesquels ils sont utilisés.

Importance des alliages de magnésium dans l'ingénierie

Les alliages de magnésium ont gagné une énorme popularité dans les applications d'ingénierie, principalement en raison de leur remarquable rapport poids/résistance, de leur recyclabilité et de leur coût acceptable. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans divers domaines tels que :

• L'automobile : Utilisés dans les pièces de voiture pour réduire le poids.
• Aérospatiale : Cadres et pièces d'avions et d'engins spatiaux.
• Électronique grand public : Boîtiers de téléphones cellulaires et d'ordinateurs portables.
• Médical : Implants et dispositifs orthopédiques.

Leur faible densité, leur rapport résistance/poids élevé, leurs excellentes caractéristiques d'usinage et leur bonne capacité d'amortissement font que ces alliages conviennent bien à ces applications.

Propriétés des alliages de magnésium

Les propriétés des alliages de magnésium peuvent être classées en deux grandes catégories : les caractéristiques physiques et les caractéristiques chimiques. Ces deux types de propriétés peuvent grandement influencer leur fonctionnalité et leurs performances dans un large éventail d'applications. C'est ce portefeuille diversifié de propriétés qui rend les alliages de plus en plus attrayants pour les ingénieurs et les concepteurs.

Propriétés physiques des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium possèdent plusieurs propriétés physiques qui ont un impact sur leur utilité dans diverses applications. Ces propriétés physiques comprennent :

• Faible densité : Le magnésium est le métal structurel le plus léger disponible dans le monde. Sa légèreté en fait un bon choix pour les applications où la réduction du poids est cruciale, comme l'automobile, l'aérospatiale et l'électronique portable.
• Rapport résistance/poids élevé : Bien que le magnésium soit léger, il présente une résistance importante. Lorsqu'il est allié à d'autres métaux, sa résistance s'amplifie, ce qui en fait un matériau robuste et fiable.
• Bonne capacité d'amortissement : Les alliages de magnésium possèdent une grande capacité d'amortissement, qui est une mesure de la résistance aux mouvements vibratoires ou oscillatoires. Cette propriété particulière trouve des applications utiles dans l'industrie automobile et ferroviaire.
• Excellente usinabilité : Les alliages de magnésium sont réputés pour leur usinabilité. Ils peuvent être manipulés avec moins de puissance et consomment donc moins d'énergie de fabrication.

L'alliage joue un rôle crucial dans l'amélioration des propriétés physiques du magnésium. Par exemple, l'ajout d'aluminium au magnésium forme un alliage qui possède une tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte nettement améliorée. Cet alliage, connu sous le nom d'AZ91, est extrêmement populaire dans les applications de moulage sous pression.

Propriétés chimiques des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium, de par leur nature chimique, présentent quelques propriétés caractéristiques :

1. Réactivité : Étant un métal actif, le magnésium a une grande affinité pour l'oxygène, ce qui le rend sensible à l'oxydation. Pour atténuer cette difficulté, les alliages de magnésium incorporent souvent des métaux lourds comme le nickel ou des éléments de terre rare.
2. Affinité pour le silicium : Le magnésium présente une affinité considérable pour le silicium. Cette affinité est bénéfique car elle entraîne la formation de couches de siliciure de magnésium, qui peuvent empêcher la diffusion d'espèces corrosives à la surface du métal, améliorant ainsi la résistance à la corrosion.

Il convient de noter que les propriétés chimiques des alliages de magnésium peuvent être davantage adaptées en fonction des exigences de l'application au moyen de techniques d'alliage et de traitement thermique.

Résistance à la corrosion des alliages de magnésium

La résistance à la corrosion est une considération essentielle lorsqu'on travaille avec n'importe quel métal, et les alliages de magnésium ne font pas exception. Les alliages de magnésium sont généralement plus sensibles à la corrosion que la plupart des autres métaux, principalement en raison de leur comportement électrochimique actif. Toutefois, il est possible d'atténuer ce phénomène à l'aide de diverses techniques.

L'une des méthodes les plus répandues est l'anodisation. Cette technique utilise des processus électrochimiques pour créer une couche d'oxyde protectrice sur la surface des alliages de magnésium. Les traitements de surface tels que la chromatation, la phosphatation et le placage sont également efficaces pour améliorer leur résistance à la corrosion.

Résistance et durabilité des alliages de magnésium

Lorsqu'on parle de résistance et de durabilité des alliages de magnésium, il est important de comprendre que ces termes font référence à la capacité d'un matériau à résister aux forces appliquées sans se déformer ou se rompre.

La limite d'élasticité des alliages de magnésium dépend fortement des éléments d'alliage et de leur concentration. La résistance à la traction, qui mesure la résistance d'un métal à l'arrachement, est généralement comprise entre 130 et 300 MPa pour les alliages de magnésium. Son rapport résistance/poids élevé en fait un excellent candidat pour les industries aérospatiale et automobile.

En outre, la durabilité des alliages de magnésium, c'est-à-dire leur durée de vie et leur capacité à supporter des conditions difficiles au fil du temps, est améliorée par divers traitements tels que le travail à chaud, le travail à froid et les traitements thermiques (comme le recuit de mise en solution et le durcissement par précipitation).

Types d'alliages de magnésium

Bien que les alliages de magnésium soient polyvalents, ils peuvent être classés dans des catégories spécifiques en fonction de leurs propriétés améliorées. Il existe différents types d'alliages de magnésium, principalement des alliages de magnésium à haute résistance, des alliages de magnésium résistants à la corrosion et des alliages de magnésium résistants à la chaleur.

Alliages de magnésium à haute résistance

Dans le domaine des alliages de magnésium, certaines variantes ont été spécifiquement conçues pour offrir une plus grande résistance. Ces alliages de magnésium à haute résistance sont généralement renforcés par des éléments tels que l'aluminium, le zinc ou des terres rares. Par rapport aux alliages de magnésium standard, ces variantes à haute résistance présentent une plus grande durabilité sous contrainte mécanique, ce qui les rend idéales pour les applications structurelles où la stabilité est cruciale.

L'AZ91 est un alliage de magnésium à haute résistance largement utilisé. Composé de 9 % d'aluminium et de 1 % de zinc, le reste étant du magnésium, l'AZ91 est réputé pour sa ténacité et sa résistance aux chocs exceptionnelles. Plus important encore, l'aluminium renforce la solidité tandis que le zinc assure une bonne résistance à la corrosion par crevasses.

Certains alliages de magnésium à haute résistance sont enrichis d'éléments de terres rares tels que l'yttrium. L'un de ces alliages est le WE43, qui se compose d'yttrium, de terres rares lourdes et de zirconium. La présence de ces éléments augmente considérablement la résistance de l'alliage, même à des températures élevées. De même, le ZK60 est un autre alliage de magnésium supérieur à haute résistance, il est constitué de zinc et de zirconium et a démontré une excellente résistance et ductilité.

Alliages de magnésium résistants à la corrosion

Bien que les alliages de magnésium aient tendance à être intrinsèquement plus sensibles à la corrosion, des alliages de magnésium résistants à la corrosion ont été obtenus grâce à une conception minutieuse de l'alliage et à des processus de traitement thermique. Ces alliages parviennent à ralentir ou à prévenir la corrosion, même lorsqu'ils sont exposés à des environnements salins, acides ou humides.

Le moyen le plus efficace d'améliorer la résistance à la corrosion des alliages de magnésium est de les allier à des éléments qui ont une meilleure résistance naturelle à la corrosion, en particulier l'aluminium, le manganèse et les éléments de terre rare. Par exemple, l'AM60, composé principalement de magnésium, avec 6 % d'aluminium et une trace de manganèse, est connu pour sa bonne résistance à la corrosion, sa ductilité et son excellente coulabilité.

Un autre alliage remarquable à haute résistance à la corrosion est l'AE44, qui est constitué de 4 % d'aluminium et d'éléments de terres rares. Cet alliage est principalement utilisé dans les applications automobiles en raison de sa meilleure résistance à la corrosion et de ses performances élevées à des températures élevées.

Divers traitements de surface ont également été largement utilisés pour améliorer la résistance à la corrosion des alliages de magnésium. Le scellement, l'anodisation et la chromatation sont quelques-uns de ces traitements qui forment une couche imperméable d'oxyde de magnésium sur la surface de l'alliage et entravent le processus de corrosion.

Alliages de magnésium résistants à la chaleur

Les alliages de magnésium résistants à la chaleur sont une catégorie spécifique d'alliages capables de conserver leurs propriétés même à des températures élevées. Ces alliages sont de plus en plus importants dans les environnements où les contraintes thermiques sont régulières, comme les moteurs, les lignes de transmission d'énergie et les avions à grande vitesse.

L'ajout d'éléments d'alliage spécifiques comme l'aluminium, le zinc, le strontium et les terres rares est l'approche courante pour formuler des alliages de magnésium résistants à la chaleur. Par exemple, l'AS41, composé principalement de magnésium avec 4 % d'aluminium et 1 % de silicium, est un alliage qui présente une meilleure résistance aux températures élevées.

Une série d'alliages à forte teneur en éléments de terres rares, QE22, WE43 et EV31A, sont également connus pour leurs excellentes performances à haute température. Le QE22 est considéré comme ayant l'une des résistances au fluage les plus élevées parmi les alliages de magnésium, ce qui en fait un choix parfait pour les groupes motopropulseurs et les turbocompresseurs des véhicules.

Il convient de noter que la résistance à la chaleur de ces alliages dépend également beaucoup de leurs procédés de traitement thermique. Des procédés tels que le recuit de mise en solution, la trempe et le durcissement par vieillissement peuvent tous jouer un rôle essentiel dans l'augmentation de la résistance à la chaleur des alliages de magnésium.

Avantages des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium, qui possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques, offrent une série d'avantages dans les applications techniques. Les attributs mêmes qui caractérisent ces alliages, tels que leur légèreté, leur rapport résistance/poids élevé et leur rentabilité, se traduisent par un potentiel important dans divers secteurs industriels, en particulier dans l'automobile, l'aérospatiale et l'électronique.

La légèreté des alliages de magnésium

Le magnésium est le plus léger de tous les métaux de structure, ce qui rend les alliages de magnésium exceptionnellement légers. Cette caractéristique a une influence profonde sur de nombreuses applications, principalement dans les industries sensibles au poids telles que l'aérospatiale et l'automobile.

L'industrie aérospatiale s'efforce constamment de réduire le poids des composants pour améliorer l'efficacité des vols. La légèreté des alliages de magnésium permet de réduire considérablement le poids de diverses pièces d'avion, ce qui, à son tour, permet d'améliorer le rendement énergétique et de réduire les émissions. De même, dans l'industrie automobile, les véhicules légers ont une meilleure accélération, un meilleur freinage et un meilleur rendement énergétique. Par conséquent, en remplaçant les lourds composants en acier par des alliages de magnésium légers, les fabricants peuvent augmenter de manière significative l'efficacité et la performance des véhicules.

Les alliages de magnésium jouent également un rôle déterminant dans l'électronique portable, où le poids est une préoccupation cruciale. Du boîtier des smartphones au corps des ordinateurs portables, la faible densité des alliages de magnésium permet de maintenir le poids de ces appareils à un minimum sans compromettre leur solidité et leur durabilité.

Rapport résistance/poids élevé de l'alliage de magnésium

Malgré leur légèreté, les alliages de magnésium présentent un rapport résistance/poids élevé. Cette propriété mesure la résistance du matériau - définie par les limites de contrainte avant la limite d'élasticité et la rupture - par rapport à son poids. Mathématiquement, le rapport résistance/poids est généralement calculé comme la limite d'élasticité divisée par sa densité :

\[\text{Rapport résistance-poids} = \frac{\text{Résistance au rendement}}{\text{Densité}}\].

Ce rapport résistance-poids élevé fait des alliages de magnésium un choix privilégié pour les applications nécessitant robustesse et compacité. En raison de leur capacité à résister à de fortes contraintes tout en restant légers, ces alliages sont parfaits pour créer des pièces durables et performantes, allant des blocs moteurs automobiles aux cadres de vélo et même aux gilets pare-balles.

Les alliages de magnésium offrent une robustesse comparable à celle de l'acier et de l'aluminium, tout en étant nettement plus légers. Cela leur confère un avantage dans les industries où l'on recherche à la fois la réduction du poids et la durabilité, comme l'automobile et l'aérospatiale. Par exemple, dans les applications automobiles, l'utilisation de pièces en alliage de magnésium comme les blocs moteurs ou les panneaux de carrosserie permet non seulement de réduire le poids du véhicule, mais aussi d'améliorer ses performances et d'augmenter sa durée de vie.

Rentabilité des alliages de magnésium

Les avantages économiques des alliages de magnésium sont souvent aussi attrayants que leurs propriétés physiques et chimiques. Tout d'abord, le magnésium est le huitième élément le plus abondant sur Terre et il est facilement disponible, ce qui en fait une option plus économique par rapport aux métaux plus rares.

De plus, les alliages de magnésium offrent une excellente usinabilité, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement façonnés et travaillés. Cela permet de réduire les coûts de traitement, tels que ceux associés au découpage, au perçage et au moulage, rendant ainsi le processus de fabrication global plus rentable.

La durabilité et la longue durée de vie des alliages de magnésium contribuent également à la réalisation d'économies. En raison de leur résistance supérieure à l'usure, les pièces fabriquées à partir de ces alliages ont généralement une durée de fonctionnement plus longue, ce qui réduit le besoin de remplacements fréquents et les coûts de maintenance associés.

Enfin, dans des secteurs comme l'automobile et l'aérospatiale, les économies de carburant résultant de la réduction du poids font des alliages de magnésium une solution plus rentable sur la durée de vie du véhicule ou de l'avion. Par conséquent, bien que le coût initial des alliages de magnésium puisse être plus élevé que celui de certains matériaux traditionnels, la rentabilité globale est souvent supérieure si l'on considère les coûts totaux du cycle de vie.

Inconvénients des alliages de magnésium

Si les alliages de magnésium sont célébrés pour leurs nombreux avantages, il est impératif de prendre en compte leurs inconvénients qui peuvent limiter leur application dans certains domaines. Les principaux défis auxquels sont confrontés les alliages de magnésium tournent autour de leur vulnérabilité à la corrosion, de leur grande inflammabilité et de leurs limites potentielles dans les environnements à haute température.

Vulnérabilité à la corrosion des alliages de magnésium

L'une des limites importantes des alliages de magnésium réside dans leur prédisposition à la corrosion. La corrosion est un processus naturel qui convertit un métal raffiné en une forme chimiquement plus stable telle que l'oxyde, l'hydroxyde ou le sulfure. Le magnésium étant très réactif, ses alliages sont sujets à la corrosion lorsqu'ils sont exposés à des conditions difficiles, en particulier dans les milieux marins et acides.

Cette grande réactivité du magnésium découle de sa position dans la série galvanique, où il se trouve à l'extrémité en tant que métal le plus actif. La série galvanique classe les métaux en fonction de leur réactivité électrochimique et de leur tendance à la corrosion, ceux du haut étant les moins corrosifs et ceux du bas les plus corrosifs. Comme les alliages de magnésium se situent à l'extrémité inférieure de la série, ils sont plus susceptibles de perdre des électrons lorsqu'ils sont exposés à des environnements corrosifs, ce qui entraîne la corrosion.

Les formes fréquentes de corrosion observées dans les alliages de magnésium comprennent la corrosion galvanique, la corrosion par crevasses et la corrosion par piqûres. La corrosion galvanique se produit lorsqu'un alliage de magnésium est en contact électrique avec un métal plus noble et que les deux sont immergés dans un liquide conducteur. En raison de la plus grande réactivité du magnésium, il se corrode préférentiellement, tandis que le métal noble est protégé. La corrosion caverneuse est une forme localisée de corrosion qui se produit généralement à l'intérieur de petites fissures ou d'espaces où une solution stagnante peut s'accumuler. La corrosion par piqûres se manifeste par de petites piqûres ressemblant à des trous d'épingle à la surface de l'alliage de magnésium, ce qui entraîne souvent une défaillance sous charge.

Bien que plusieurs solutions potentielles aient été proposées pour atténuer la corrosion dans les alliages de magnésium, chacune présente son propre ensemble de défis. D'une part, l'alliage avec des éléments comme les terres rares, l'aluminium et le zinc peut améliorer la résistance à la corrosion, mais rend également l'alliage plus cher. D'autre part, les revêtements protecteurs peuvent considérablement ralentir la corrosion, mais ils peuvent aussi poser d'autres problèmes comme une contamination potentielle pendant l'application du revêtement ou l'usure éventuelle de la couche protectrice.

Haute inflammabilité des alliages de magnésium

Un autre inconvénient notable des alliages de magnésium est qu'ils sont hautement inflammables. Le magnésium étant un élément réactif, il est connu pour s'enflammer à des températures relativement basses. Cela signifie que dans les environnements où la température peut dépasser la température d'inflammation du magnésium de \( 473^{\circ}\, \mathrm{C} \) , également connue sous le nom de point d'éclair, il y a un risque d'incendie.

La combustion du magnésium produit des flammes blanches intenses et brillantes qui sont difficiles à éteindre avec de l'eau ou du dioxyde de carbone, ce qui rend les incendies de magnésium dangereusement persistants. C'est pourquoi les incendies impliquant des alliages de magnésium nécessitent des précautions particulières. Le sable, la poudre chimique sèche ou un extincteur spécial de classe D sont les agents d'extinction préférés pour les incendies de magnésium.

Malgré les risques associés, les alliages de magnésium sont encore largement utilisés dans diverses applications en raison de leurs propriétés avantageuses. Cependant, leur inflammabilité nécessite une manipulation soigneuse et des précautions de sécurité spécifiques, notamment lors des étapes de fabrication, de stockage et d'élimination.

Limites des alliages de magnésium dans les environnements à haute température

À haute température, les alliages de magnésium présentent des propriétés mécaniques réduites, ce qui pourrait limiter leurs applications. Les performances réduites comprennent une résistance à la traction plus faible et des propriétés physiques altérées, ce qui peut avoir un effet négatif sur leur fonctionnalité dans un environnement à haute température.

Un autre défi lié à l'utilisation d'alliages de magnésium à des températures élevées est leur dégradation potentielle due à l'oxydation progressive du magnésium. À haute température, le magnésium contenu dans l'alliage réagit avec l'oxygène présent dans l'environnement pour former de l'oxyde de magnésium, un processus appelé oxydation. Cette oxydation entraîne la formation d'une couche fragile et non protectrice d'oxyde de magnésium à la surface de l'alliage, qui peut alors entraîner des fractures et une réduction conséquente de l'intégrité structurelle.

Il convient également de mentionner qu'en raison du coefficient de dilatation thermique élevé du magnésium, les pièces fabriquées à partir de ses alliages pourraient changer de dimension lorsqu'elles sont soumises à des changements de température importants. Ce manque de stabilité dimensionnelle peut être un inconvénient dans les applications de haute précision où la tolérance dimensionnelle est critique.

Ceux qui cherchent à utiliser des alliages de magnésium dans des applications à haute température ont souvent recours à des alliages avec des éléments qui améliorent la tolérance à la chaleur. Par exemple, l'alliage du magnésium avec des éléments comme l'aluminium, le zinc et les terres rares peut améliorer sa stabilité thermique et augmenter sa résistance au fluage. Cependant, cela entraîne souvent un compromis avec d'autres propriétés telles que la ductilité et la résistance à la rupture. Par conséquent, il est essentiel de trouver le bon équilibre entre les performances à haute température et les autres propriétés souhaitées lors de la conception d'alliages de magnésium pour des applications à haute température.

Applications des alliages de magnésium

Les alliages de magnésium constituent un choix intéressant pour diverses applications dans différents secteurs d'activité. Cet attrait est attribué à leurs propriétés impressionnantes telles qu'une faible densité, un excellent rapport résistance/poids et de bonnes caractéristiques d'usinage.

Les alliages de magnésium dans l'industrie automobile

Les alliages de magnésium ont gagné leur place dans l'industrie automobile en raison de leur rapport résistance/poids élevé et de leur faible densité. La production de véhicules plus légers est un objectif pour la plupart des entreprises automobiles, car la réduction du poids d'un véhicule se traduit par une plus grande efficacité énergétique, une diminution des émissions et une amélioration des performances.

Dans l'industrie automobile, les alliages de magnésium sont utilisés dans diverses applications telles que :

• Les moteurs de voiture : Ils sont utilisés dans la fabrication des blocs moteurs en raison de leurs excellentes propriétés de dissipation de la chaleur. La faible densité de ces alliages permet d'alléger les moteurs, ce qui contribue à l'efficacité énergétique globale du véhicule.
• Volants : Ces alliages sont utilisés pour fabriquer des volants en raison de leur grande résistance aux chocs.
• Boîtiers de transmission : L'excellente coulabilité et la stabilité dimensionnelle de ces alliages en font des matériaux idéaux pour les boîtiers de transmission.

Malgré leurs caractéristiques avantageuses, l'utilisation à grande échelle des alliages de magnésium dans l'industrie automobile est quelque peu entravée par des problèmes tels que la corrosion et les coûts élevés de production des alliages. Cependant, l'introduction de revêtements protecteurs et d'autres techniques innovantes permettent de surmonter progressivement ces difficultés.

Utilisation des alliages de magnésium dans l'ingénierie aérospatiale

L'industrie aérospatiale présente l'une des applications les plus exigeantes pour les alliages de magnésium. Le besoin croissant de matériaux légers capables de résister aux conditions extrêmes rencontrées en vol a fait des alliages de magnésium un choix judicieux.

Dans l'aérospatiale, les alliages de magnésium sont utilisés dans des applications telles que :

• Les structures d'avion : Ils sont utilisés dans la construction des cadres et des composants structurels de l'avion en raison de leur excellent rapport résistance/poids et de leurs bonnes caractéristiques d'absorption des chocs.
• Pièces de moteur : Compte tenu de leurs bonnes propriétés de dissipation de la chaleur, les alliages de magnésium sont efficaces dans les pièces de moteur.
• Composants intérieurs : Leur grande stabilité dimensionnelle et leur facilité d'usinage les rendent parfaits pour les composants intérieurs tels que les structures de sièges.

Cependant, l'inflammabilité des alliages de magnésium à haute température pose un défi important dans les applications aérospatiales. Il faut donc recourir à des techniques spéciales d'alliage et de revêtement pour améliorer leur résistance générale au feu.

Les alliages de magnésium dans l'électronique et les appareils mobiles

Les alliages de magnésium constituent un excellent choix dans l'industrie de l'électronique et des appareils mobiles, où la demande de matériaux légers, compacts et performants ne cesse d'augmenter. Ces alliages sont particulièrement appréciés pour leur faible densité, leur grande résistance, leur excellent blindage électromagnétique et leur bonne usinabilité, ce qui les rend parfaits pour des applications telles que les châssis d'ordinateurs portables, les étuis de téléphones mobiles et les boîtiers d'appareils photo.

Cela dit, des problèmes potentiels tels que la susceptibilité à la corrosion dans des conditions humides et des coûts de production plus élevés que ceux des matériaux plastiques doivent être résolus pour que les alliages de magnésium soient plus largement utilisés dans ce secteur. Mais grâce aux progrès réalisés dans les techniques d'alliage et les revêtements protecteurs, les alliages de magnésium continuent d'offrir un potentiel prometteur dans les domaines de l'électronique et des appareils mobiles.