LE BRONZE

Le bronze est un alliage de cuivre (essentiellement ) et d'étain - la proportion d'étain peut aller de 6 à 35 %. Le cuivre, métal rouge-rose d'aspect brillant, est utilisé pour ses qualités esthétiques, mais aussi mécaniques : ductilité, malléabilité, dureté et résistance à la corrosion. L'addition d'autres éléments métalliques au cuivre permet d'accroître sa fusibilité ainsi que sa résistance à la corrosion : le silicium, l'aluminium et l'étain sont les éléments le plus souvent employés dans les alliages de bronze. Sa densité varie de 7,3 à 8,8, sa résistance à la traction, de 25 à 80 kg /mm 2. La résistance et la dureté du bronze s'accroissent en fonction de l'augmentation du pourcentage d'étain ou d'aluminium

Les bronzes se caractérisent par leur facilité de moulage, leur bon poli, leur bonne conduction de la chaleur et de l'électricité, leurs propriétés antimagnétiques et antidéflagrantes et leurs applications dans les domaines de l'anticorrosion et de l'antifriction. Les bronzes binaires, les plus courants, sont utilisés pour la fabrication des monnaies (3 % de Sn ), la robinetterie, l'accastillage et la construction navale (10 % de Sn ), la fonte des cloches, de cymbales ou de miroirs (de 20 à 35 % de Sn ).

L'ETAIN

L'étain est un élément appartenant, comme le plomb et le germanium, au groupe IV-b du tableau de classification périodique. Son numéro et sa masse atomiques sont respectivement Z = 50 et M = 118,69. Son symbole est Sn, de l'étymologie latine stannum : plomb argentifère. L'étain naturel est formé des isotopes de masses atomiques 112 à 124. Il arrive qu'on trouve l'étain à l'état natif (Australie, Sibérie ), mais on exploite surtout un minerai de formule SnO 2, la cassitérite ; en Bolivie on rencontre un minerai plus complexe, la stannite, de formule Cu 2 FeSnS 4.

Élément relativement rare, l'étain représente 0,004 % de la croûte terrestre. La production mondiale est de l'ordre de 220 000 tonnes de minerai par an. En 1998, les principaux pays producteurs étaient, pour le minerai, la Chine, l'Indonésie, la Russie, la Malaisie, le Pérou, le Brésil, la Bolivie et le Mexique. En France, l'étain est encore extrait à Saint-Renan dans le Finistère (moins de 400 t par an ).

Propriétés physiques et métallurgie

On connaît trois variétés allotropiques de l'étain. La variété stable dans les conditions habituelles de température est l'étain blanc ou étain b. C'est un métal blanc, de densité 7,28, peu dur et très malléable. On peut entendre, lorsqu'on le plie, un bruit particulier, dit cri de l'étain, dû aux contraintes subies par les cristaux qui forment le métal. Au-dessus de 161 °C, l'étain b se transforme en étain g, ou étain fragile, dont la densité est 6,5, qui fond à 232 °C et bout vers 2 270 °C. À basse température (en dessous de 12 à 13 °C ), l'étain b se transforme lentement en étain a ou étain gris, de densité 5,75 ; à - 50 °C, cette transformation est rapide et l'étain devient alors pulvérulent ; on a donné à ce phénomène le nom de peste de l'étain.

Divers traitements préliminaires sont nécessaires (grillage, séparation magnétique, flottation, etc.) pour purifier le minerai des impuretés qu'il peut contenir (soufre, arsenic, antimoine et bismuth ).

Le grillage de la cassitérite permet d'éliminer le soufre et de récupérer l'arsenic. L'«étain noir » obtenu (environ 80 % de SnO 2 ) est réduit par le carbone dans des fours à réverbère ou à arc électrique, vers 1 200 °C. Les métaux restant comme impuretés sont séparés par oxydation.

Propriétés chimiques

L'étain est un métal peu réducteur. Il résiste bien à l'action des agents atmosphériques, ce qui explique son emploi pour l'étamage de divers métaux (fer, cuivre, etc.). À température élevée, il s'oxyde en présence d'oxygène pour donner le dioxyde SnO 2, et finit par brûler avec une flamme blanche. Les bases, même concentrées et chaudes, ne l'attaquent pas. Il en est de même pour les acides chlorhydrique et nitrique dilués. Mais, concentrés, ces derniers attaquent vivement l'étain, qui passe alors sous une forme complexe.

Dans ses composés, l'étain peut prendre la valence II (composés stanneux ) ou la valence IV (composés stanniques ). Avec les halogènes, on obtient des composés de type SnX 2 ou SnX 4 ; avec l'oxygène, on obtient le bioxyde de SnO 2 et l'oxyde stanneux SnO, qui est amphotère ; enfin, avec le soufre, on obtient des sulfates et des sulfures. Les organo-étains constituent une catégorie importante de composés d'étain ; on en connaît plus de 500, parmi lesquels les alkyl-étains et les carboxylates d'étain.

L'art de l'étain

Connu comme métal pur dès le début de notre ère, l'étain est utilisé depuis fort longtemps pour la fabrication d'objets d'usage courant et d'ustensiles de cuisine.

Dès l'Antiquité, l'étain, qui peut s'allier au cuivre comme au plomb, entra dans la composition du bronze. Les Phéniciens d'abord, les Carthaginois, puis les Phocéens s'en procuraient en abordant les îles Scilly au large du comté de Cornouailles.

Les cités méditerranéennes qui possédaient les mines de cuivre d'Italie et de Chypre dépendaient, pour leur approvisionnement en étain nécessaire à la fabrication du bronze, des Phéniciens, puis des Carthaginois. En effet, ceux -ci veillaient jalousement sur leur monopole, gardant le secret sur leurs routes maritimes et sur les entrepôts où ils achetaient le métal : la péninsule ibérique, l'Armorique, la presqu'île de Cornouailles, désignées de façon générale par le nom d'îles Cassitérides (étain se dit kassitéros en grec ). Ils répandaient de faux récits de voyage, et envoyaient par le fond les navires concurrents qu'ils rencontraient. La fondation de Marseille mit fin à ce monopole, le commerce pouvant désormais se faire par une voie presque uniquement terrestre avec l'Armorique et la presqu'île de Cornouailles.

Au Moyen Âge, la vaisselle d'étain, imitant les formes de l'argenterie, était d'un usage courant sur la table des bourgeois. Les couverts s'ornèrent, à partir du XVIe siècle, de motifs décoratifs en dentelle. Le relief accusé d'un plat ou d'une assiette s'obtenait par le coulage de l'étain en fusion dans des moules, soit en bronze, soit en pierre.

L'art mineur de l'étain eut ses maîtres : François Briot (vers 1550 ), Charles Boulle (1842 -1732 ), qui l'utilisa en marqueterie. Au XVIIe siècle, cet art atteignit son apogée. Les styles rococo et baroque du XVIIIe siècle permirent encore de belles réalisations, mais à partir du XIXe la céramique supplanta peu à peu l'étain.

L'OR

OR : Métal précieux jaune brillant inaltérable à l'eau, à l'air, fondant à 1064° Celsius. Densité élevée : 19,3. Il peut être battu en feuille de 1/1000 ème de m/m d'épaisseur . On utilise ses alliages avec le cuivre et l'argent qui lui donnent de la dureté pour la frappe des monnaies, la bijouterie, la dentisterie. Par exemple dent en or blanc, gris, jaune, rose, rouge, vert d'une teneur en or de 18 carats. Selon la loi Française (l'or à 24 carats est pur à 100 % ).

1 Carat = Quantité d'or fin contenu dans un alliage exprimé en 24 eme de la masse totale. L'or est le plus malléable et ductile de tous les métaux. L'or existe à l'état natif dans les filons de quartz aurifères et dans les sables d'alluvions. La rentabilité d'un gisement d'or natif est de 8 à 10 grammes par tonne et de 0,2 à 1 gramme par mètre cube d'alluvions. Les principaux pays producteurs sont l'union Sud Africaine, la Russie, l'Australie, le Canada.


LE ZINC

Métal moyennement réactif, le zinc se combine avec l'oxygéne et d'autres non-métaux, et réagira avec les acides dilués en dégageant de l'hydrogéne. L'état d'oxydation le plus courant du zinc est l'ion zincique. Quand il est exposé à  l'air, le zinc forme une trés fine couche d'oxyde imperméable, qu'on appelle parfois la « rouille blanche ».

Les Anciens utilisaient couramment la calamine (qui est en fait un minerai carbonaté de zinc) mais ne paraissent pas avoir utilisé le zinc comme métal isolé, bien qu'un certain nombre de bracelets de zinc aient été découverts en Grâce, notamment dans les mines de Camaros...Ces découvertes permettront de situer leur fabrication vers le cinquiéme siécle avant Jésus- Christ. La toute premiére industrialisation de la production de zinc sera réalisée par William Champion. Le même William Champion déposera le brevet d'un procédé de réduction de la calamine en 1738. La galvanisation des aciers est la principale utilisation faite du zinc. En effet, le dépôt d'une mince couche de zinc à la surface de l'acier protégera celui- ci de la corrosion. Le processus de galvanisation consomme quelques quarante sept pourcent du zinc exploité dans le monde. Et pour cause, l'acier galvanisé est utilisé tant dans la construction, l'électroménager, les équipements industriels,que l'automobile...Le laiton, qui est un alliage de cuivre et de zinc, et le bronze ( qui est lui un alliage de cuivre et d'étain auquel on ajoute parfois du zinc ) consomment eux dix neuf pourcent du zinc produit... Les alliages de zinc, comme le zamac pour les piéces moulées (notamment dans le domaine de l'automobile, des équipements ménagers, des piéces industrielles...) représentent eux quatorze pourcent de sa consommation, les produits chimiques neuf pourcent et les autres applications, dont les plaques et péces pour toiture, onze pourcent. Le zinc trouve aussi des applications en agriculture, comme par exemple comme apport d'oligo-élément essentiellement dans les zones de sols trop calcaires. (La culture la plus sensible au manque de zinc dans les sols est certainement le maïs.

Masse volumique: p = 7,1 kg/dm3

Point de fusion :419 °C

LE CUIVRE

LE CUIVRE

Le cuivre est un métal de couleur rougeâtre, dont le symbole est « Cu » et de numéro atomique est « 29 ». C'est l'un des rares métaux qui existe à l'état natif, c'est-à-dire pur de toute combinaison. Avec l'or, c'est le seul métal naturellement coloré. Aprés l'argent, c'est le meilleur conducteur de l'électricité et de la chaleur. Il est certainement l'un des premiers à avoir été utilisé par l'homme car des piéces datant de 8 700 ans avant Jésus-Christ , ont été trouvées.

Pendant « l'Age du Cuivre, période qu'il est difficile de situer avec précision, le cuivre était utilisé à l'état natif, simplement martelé pour lui donner une forme. Des outils et des armes de chasse en cuivre sont apparus dés I'époque néolithique, vers 5000 ans avant J-C. Des mines de minerai de cuivre ont été découvertes, il y a 4 700 ans, dans le Sinaï par les égyptiens. Le plus ancien artisanat du cuivre connu en Bulgarie date de 4500 à 4000 ans avant J-C. Chypre, qui tire du métal, son ancien nom « Aes Cyprium », pratiquait l'exploitation du minerai de cuivre vers 2300 à 2000 avant J-C. L'une des sept merveilles du monde, le Colosse de Rhodes, a été exécutée en martelant des feuilles de cuivre sur des moules de bois. Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques. Les alliages de cuivre, par contre, sont trés largement utilisés dans de nombreux domaines. On situe vers 1800 avant J-C, la naissance de la métallurgie du bronze, mélange d'étain et du cuivre. Les laitons sont des alliages à base de cuivre et de zinc. Il s'agit de l'alliage de cuivre le plus fabriqué qui présente la plus grande facilité d'emploi.

Les cupro-aluminiums contiennent du cuivre de l'aluminium avec addition ou non de fer, nickel ou manganése. Leurs utilisations les plus fréquentes concernent des piéces ou ensembles destinés à  évoluer en milieu marin du fait de leur excellente résistance à  la corrosion par l'eau de mer et leurs propriétés anti-fouling. Les maillechorts sont des alliages de cuivre, de nickel et de zinc. Il existe deux types d'exploitation du cuivre, définis selon la forme des gisements et leur profondeur : Les mines à ciel ouvert et les mines souterraines

Masse volumique: p = 8,9 kg/dm3

Point de fusion :1083 °C

Résistivité : p = 0,0175 ohm.mm2/m


L'ALUMINIUM

L'ALUMINIUM

Vient du latin alumen qui signifie "alun".
Le mot alumium a été proposé au début du XIXe siécle par Humphry Davy. Il ne fut employé qu'en Amérique du Nord. Comme beaucoup d'éléments chimiques découverts au cours de ces 200 derniéres années, il se termine par -um. Citons par exemple le radium révélé par Pierre et Marie Curie en 1898.

L'aluminum est un métal commun léger et de couleur blanche argentée

Les Grecs et les Romains connaissaient déjà  l'alun mais l'aluminium pur apparut quelques siécles aprés.
L'aluminium ne se trouve pas seul dans la nature, il est toujours combiné avec d'autres éléments - le plus souvent avec du sodium (Na) ou du fluor (F) - pour donner des oxydes, des hydroxydes ou encore des silicates. Associé à de l'eau ou à des oligo-éléments (vitamines et métaux utilisés par des organismes vivants), il forme le minerai d'aluminium le plus répandu : la bauxite, découvert en 1821 par le minéralogiste français Pierre Berthier prés du village des Baux-de-Provence (Bouches du Rhône) d'où son nom.

On considére donc que l'homme qui est à l'origine de l'aluminium moderne, utilisé en industrie, est celui qui a réussi à isoler la bauxite (sous forme de poudre) : le physicien chimiste danois Hans Christian Oersted, c'était en 1825. Deux ans plus tard, le chimiste allemand Friedrich Wéhler l'obtient sous forme de lingot. Ce n'est qu'en 1854 que Henri Saint-Claire Deville trouva une méthode d'isolation plus pratique : avec le métal obtenu, on décida d'en faire une ménagére pour Napoléon III ! C'est dire le caractére précieux qu'avait l'aluminium à cette époque du fait des difficultées d'isolation et d'extraction de bauxite !

Utilisé le plus souvent sous forme d'alliages (cf les bronzes aluminium). Son emploi a toujours servi et sert encore pour les petites faciales. Les ateliers monétaires prenaient l'aluminium pour les périodes de crises quand le nickel et le cuivre venaient à manquer (armement, guerre, occupation...). Les Morlon sont passées du bronze-aluminium à l'aluminium en 1941 en laissant la place aux francisques de 1942 à 1944.

Point de fusion : 660°C | Masse volumique : 2,7g/cm3 | densité : 2,7 (le tiers de celle de l'acier !)

Lorsque l'aluminium est exposé à l'air (donc en présence d'O2), il se forme sur son extérieur une couche d'oxyde d'aluminium : l'alumine (Al2O3) qui le protége de la corrosion (en empéchant le dioxygéne de pénétrer), d'où son lustre mat. La bauxite que nous avons vu un peu plus haut contient environ 50% d'alumine.

L'aluminium est un excellent conducteur électrique, et de chaleur. Cette propriété est exploitée en cuisine pour l'emballage des plats surgelés et pour faire cuire le poisson Il est également un trés bon réflecteur de lumiére.

Métal ductile, malléable.

En faisant des alliages avec l'aluminium, on appronfondit ses caractéristiques : il peut avoir un point de fusion plus élevé et une meilleure dureté.

Alliages

L'aluminium s'utilise peu à  l'état pur, sauf en miroiterie ( V. aluminiage ), du fait de sa faible résistance mécanique (au maximum 20 kg /mm² ), mais ses alliages sont nombreux. On combine à l'aluminium de façon usuelle les métaux suivants : cuivre, silicium, magnésium, manganése, titane, chrome, zinc, cobalt, cadmium. On distingue, en simplifiant :

1.  Les alliages malléables ou forgeables, qui se subdivisent eux -mêmes en : a Al + Mg (de 2 à 7,5 %) avec adjonction éventuelle de manganése et chrome (de 0 à 0,8 %) pour accroître la résistance mécanique et la résistance à la corrosion (par exemple le Duralumin ); b Al + Mg (de 0 à 1,4 %) + Si (de 0 à 1,2 %), autotrempants et moins résistants, mais non soumis à la corrosion ; c Al + Cu (de 0 à 5 %) + Mg (de 0 à 1,8 %) + Zn (de 0 à 6,5 %), d'une résistance mécanique comparable à celle de l'acier (jusqu'à 45 kg /mm 2 ), mais dont certains, oxydables, nécessitent une couche de protection.

2.  Les alliages de fonderie de type Al + Si (de 10 à 22 %), qu'on peut facilement couler et souder en raison de leur bas point de fusion (600 °C ), et qu'une adjonction de cuivre, cobalt et manganése rend plus usinables.

3.  Les alliages antifriction du type Al + Si (de 20 à 26 %) + Cu (de 0 à 1,7 %) + Ni (2 %) ; ils ont un bas coefficient de frottement et se dilatent peu.

4.  Les alliages magnétiques, où la proportion de fer peut atteindre 70 % ( V. alnico ) et qui se caractérisent par leur forte coercitivité.

Résistivité: p = 0,06 ohm.mm2/m