Métallurgie

La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on désigne ainsi, l’industrie de la fabrication des métaux et des alliages, qui repose sur la maîtrise de cette science.

Définition

La définition de la métallurgie a largement évolué au du XIX^e siècle. À partir des forgerons et leur accumulation de connaissances empiriques, la métallurgie est devenue au XIX^e siècle une science et dans le contexte de la révolution industrielle (et dans l'inconscient collectif) devenue synonyme d'acier, de hauts fourneaux, de laminoirs, de tréfileries, pour devenir ensuite une activité industrielle intense qui se préoccupe aussi de solutions de pointe, d'alliages spéciaux pour l'aéronautique, l'électronique, le bâtiment, l'automobile, le nucléaire et d'innombrables autres usages.

Ainsi, la métallurgie, en 1840, se définit comme « la science qui apprend à connaître la manière de traiter les minerais qui sont fournis par l'exploitation des mines. L'exploitation et la métallurgie font partie des sciences mécaniques, et peuvent être réunies sous le nom de science des Mines, qui se subdivise ensuite en exploitation des mines et en métallurgie. Le mineur extrait les minéraux par des procédés mécaniques; le métallurgiste les traite par une suite de procédés chimiques et mécaniques. Retirer par des procédés chimiques, exécutés en grand, de la manière la plus économique et avec le moins de perte possible, les parties utiles que renferment les minéraux fournis par le mineur, tel est le problème de la métallurgie rationnelle (...) L'affaire principale du métallurgiste est toujours la connaissance de l'art de traiter les minerais; mais s'il veut s'élever au-dessus de la simple routine, il ne doit pas rester étranger à plusieurs autres sciences accessoires, surtout quand il veut se former à devenir administrateur ou directeur d'usines. Les mathématiques, la physique, la chimie, la minéralogie, l'exploitation des mines, l'architecture, l'aménagement des forêts, le dessin, la jurisprudence et les finances, sont des sciences à étudier, les unes dans toute leur étendue, les autres dans quelques-unes de leurs parties seulement ».

Début XXI^e siècle, dans une définition qui le distingue d'un pur physicien ou d'un pur chimiste et qui corresponde à la réalité des laboratoires publics et industriels, « le métallurgiste, formé à la physique, à la chimie et à la mécanique, au minimum sait lire et utiliser un diagramme de phases (sans croire que celui-ci dit tout sur l'alliage), connaît l'existence et propriétés des défauts cristallins responsable de la plasticité et du transport de matière, ainsi que les fondements théoriques et pratiques de la rupture et de la corrosion : qui utilise ces compétence sur la face expérimentale ou sur la face théorique de la métallurgie,ou mieux, sur les deux; et qui possède une culture suffisamment large pour, connaissant la composition d'un alliage métallique, avoir déjà une assez intuition des principales de ses propriétés. »

Actuellement, le terme de « métallurgie » peut désigner :

• l'industrie d'élaboration et de transformation des métaux :
  • métallurgie primaire, ou extractive : transformation des matériaux naturels (minerai) en métal,
  • métallurgie secondaire : élaboration de matériaux utilisables par l'industrie, comprenant la réalisation d'alliages, les traitements thermomécaniques (laminage, trempe, revenu), la mise en forme en semi-produits (tôles, profilés),
• la science étudiant les métaux (leurs propriétés, leur transformation) : métallurgie physique, métallurgie mécanique.

En raison de son passé plusieurs fois millénaire et de l'ampleur de ses applications, la métallurgie est parfois considérée comme une activité plus proche des arts et métiers que d'une activité scientifique rigoureuse. Empruntant à la physique, à la mécanique, à la chimie, et aux mathématiques, elle a contribué à créer la science des matériaux et elle continue à la nourrir d'exemples, de concepts, et de méthodes expérimentales et théoriques. Le succès de la métallurgie tient en cinq mots : « l'abondance des métaux dans la croute terrestre, leur grande malléabilité, la capacité qu'ils offrent de modifier leurs propriétés mécaniques par des traitements thermomécaniques, l'extraordinaire maîtrise des technologies associées; enfin la conduction — électrique et thermique — caractéristique des métaux et alliages et le magnétisme de certains d'entre eux ».

Histoire

Préhistoire et Antiquité

L'histoire de la métallurgie est étudiée par le métallurgiste, plus précisément par le cristallographe. Le premier métal travaillé fut le cuivre natif, minéral correspondant à l'élément chimique cuivre, bien connu bien avant la fin de la préhistoire.

Notons que le nom du cuivre dérive de terme grec adjectif kyprios, c'est-à-dire, relatif ou en rapport à l'île de Chypre, célèbre dans l'Antiquité gréco-romaine pour ses gisements de cuivre. L'adjectif pouvait s'appliquer à tous types productions de cuivre martelée ou de bronze, originaires de Chypre. Pour certains étymologistes, le mot « cuivre » signifierait d'abord un alliage, un « bronze de Chypre », île des mines de cuivre dans l'Antiquité, avant de s'appliquer à la matière métallique pure. Néanmoins les Romains, excellents métallurgistes, qui connaissaient les ressources anciennes en cuivre natif de l'île ont ainsi qualifié le pur métal rouge du nom de l'île, dédié à la déesse Vénus/Aphrodite.

Les hommes commencèrent probablement par travailler le cuivre natif (c'est-à-dire, présent naturellement sous forme métallique) par martelage, et ils s'aperçurent sans doute qu'il était plus facile de le travailler lorsqu'il était chauffé (phénomène de recuit : élimination des dislocations par la restructuration et éventuellement recristallisation). Puis, en chauffant de plus en plus, ils s'aperçurent qu'il fondait et que l'on pouvait donc le mouler. Ceci constitua l'Âge du cuivre, vers -4000.

Le premier alliage fut le bronze (alliage de cuivre et d'étain). L'âge du bronze s'étendit d'environ -2500 à -1000.

Le cuivre natif étant rare, ils travaillèrent alors des minerais de plus en plus pauvres en cuivre natif, et ils s'aperçurent probablement que le fait de faire chauffer des minerais permettait non seulement d'extraire le cuivre par fusion, mais aussi de « transformer » le minerai en métal (réduction) ; c'est sans doute ainsi que sont nés les bas fourneaux, vers -1200.

Vers -1000 commença l'âge du fer. Le fer fondant à beaucoup plus haute température que le cuivre (1 535 °C contre 1 084 °C), on superposa couches de bois et couches de minerai de fer afin d'atteindre sa température de fusion, et on le mélangea au charbon de bois de façon à le rendre plus résistant. La réduction du minerai dans les bas fourneaux était imparfaite et donnait naissance à un bloc d'aspect spongieux (le massive ou la loupe) que l'on martelait pour le débarrasser de ses impuretés. Pendant longtemps, les archéologues ont estimé que les premiers à utiliser le fer furent les Hittites. Puis on a estimé que la métallurgie du fer était née en Syrie du nord, sur les piémonts du Taurus dans une région susceptible de fournir du minerai et des forêts (pour le charbon nécessaire à la production du fer). Des découvertes récentes font remonter la toute première métallurgie du fer aux alentours de la fin du III^e millénaire av. J.-C., en Afrique.

En Amérique, avant l'arrivée des Européens, les amérindiens ont développé une métallurgie de divers métaux (or, cuivre, argent, étain, et même du platine, inconnu des Européens), mais n'ont jamais travaillé le fer à de rares exceptions près (les Inuits ont ainsi, travaillé le fer météorique).

Dans toute la suite de l'antiquité seuls quelques métaux furent utilisés et pour certains, seulement travaillés. N'étaient connus que sept métaux : l'or, le mercure, le plomb, l'argent, le fer, le cuivre et l'étain. Le prochain métal découvert sera le cobalt en 1735 puis le bismuth en 1750.

Moyen Âge

Travail du métal en 1564, Allemagne

L'utilisation de moulins à eau pour assurer le soufflage permit d'atteindre de plus hautes températures. C'est ainsi que vers 1450, on réalisa la première coulée de fonte avec un haut-fourneau.

Les temps modernes

La sidérurgie connaît son plus fort développement à la fin du XVIII^e siècle, ce qui permit la révolution industrielle. La production en masse d'acier permit la réalisation de machines à vapeur et donc, le pompage des eaux dans les mines.

De nos jours

De nombreuses recherches se font davantage sur les traitements appliqués aux métaux que sur la préparation de ceux-ci, notamment sans passer par des hauts-fourneaux. Par exemple, d'un point de vue biomédical, le titane est employé en biothérapie. Des traitements chimiques ou physiques comme le sablage permettent de le rendre histocompatible et font de lui le métal de référence pour les prothèses osseuses.

Organisation de l'industrie

Sculpture « L'industrie métallurgique »de Jean-Léon Gérôme.

Les activités

La métallurgie recouvre un éventail d'activités industrielles :

• l'extraction du minerai et sa première transformation (minéralurgie),
• le recyclage des métaux ;
• la fonderie (hauts-fourneaux et affinage) ;
• la fabrication de produit brut par les laminoirs ;
• la transformation des produits bruts en produits semis-finis ;
• la fabrication de matériel et de produits finis pour l'industrie, le bâtiment et le transport.

Trois spécialités

Les fondeurs d'art.

L'industrie de la métallurgie s'est organisée en trois spécialités principales. Chacune demande une spécialisation différente des deux autres. Il y a, d'une part, la métallurgie du fer et, d'autre part, celle des métaux non ferreux, lesquels se divisent en métaux précieux, comme l'or, et non-précieux, comme l'aluminium :

• la production d'acier et des alliages ferreux (sidérurgie) ;
• la production des métaux non ferreux et non précieux ;
• la production des métaux précieux.

L'avenir de la métallurgie

De nombreux centres de décision (recherche et fabrication) de la métallurgie sont devenus internationaux au fil du temps. L'éloignement géographique et intellectuel entre les centres de décision, de fabrication et de recherche qui en résulte, fait que bien souvent la compétence de la métallurgie se perd en Europe, tant en recherche qu'en activité industrielle : un effort universitaire qui s'émiette, un enseignement qui s'affaisse, des jeunes chercheurs et ingénieurs qui font défaut.

Techniques

Fonte pleine à la cire perdue

La fonte pleine à la cire perdue est une technique issue du Proche-Orient antique.

Tout d'abord, on réalise la forme exacte en cire de ce qu'on veut obtenir par la suite. On réalise cette forme sans noyau interne, tout en prévoyant des conduits d'évents. Sur cette forme, on applique un laie d'argile, pour en prendre très précisément l'empreinte. Les couches successives d'argile sont de plus en plus chargées en dégraissant végétal afin de résister à de fortes températures. Une fois l'argile sèche, on pratique ensuite, un décirage en faisant chauffer doucement l'ensemble pour évacuer toute la cire. Si cette opération n'est pas bien pratiquée, la cire en contact avec le métal en fusion risque de faire exploser le moule. Une fois le moule refroidi et vide, on verse le métal en fusion par l'attaque du moule. Il suffira de casser le moule pour récupérer la forme. Cette pièce devra être retravaillée (enlèvement des évents, polissage, reprise à froid, etc.) pour obtenir la forme finale.

Fonte en creux à la cire perdue

La fonte en creux à la cire perdue est une technique issue du Proche-Orient antique.

La technique est la même que la fonte pleine à la cire perdue, mais la forme en cire est, cette fois-ci, formée autour d'un noyau. De plus, lors de la formation de la chape d'argile, il faut prévoir des clous distanciateurs pour maintenir le noyau lorsque la cire est évacuée.

Fonte à la cire perdue sur négatif

Pour cette technique, on fabrique d'abord un modèle en argile de l’œuvre qu'on veut obtenir en métal. On forme ensuite, un moule par dessus avant de récupérer le modèle en ouvrant ce moule. On en nappe l'intérieur de cire liquide (par application au pinceau par exemple.) ou de cire appliquée aux doigts. On place alors le noyau (maintenu par des clous distanciateurs) dans le moule avant de le refermer. Le moule est chauffé pour évacuer la cire, puis, le métal y est coulé. Une fois l'ensemble refroidi, on récupère l'objet fini avant de le retravailler, si nécessaire.

On peut découper le modèle originale en plusieurs morceaux qui seront ensuite, fondus à part si l’œuvre est trop grande pour être travaillée d'un seul coup.

Emboutissage

Cette technique se pratique, dans l'Antiquité proche-orientale, à l'aide d'un marteau couvert d'une pièce de cuir. Le lingot de métal plat est travaillé par percussion jusqu'à obtention de la forme désirée.

Granulation

On coupe d'abord un fil de métal en petits éléments, qu'on dépose sur un support très chaud. Ils vont alors se rétracter et former des petites billes. On fixe ces petites billes par un adhésif (sel cuivre, colle de farine, peau de poisson, etc.) et auto-adhésion.

Fonte en moule segmenté

Cette technique est une technique propre aux bronziers chinois. On la retrouve importée au Japon.

On réalise l'exacte réplique du vase que l'on veut réaliser en bronze, mais en argile, forme et détails compris. On laisse sécher ou on cuit le vase d'argile, sur lequel on dépose des bandes d'argile fraîche pour prendre la forme globale et les motifs. Une fois sèches, on enlève ces bandes, obtenant ainsi, des sections indépendantes de vase, qu'on cuit ensuite. On ponce le vase-modèle en argile pour obtenir un noyau de forme plus petite et vierge de décor lisse. Sur ce noyau, on place les sections d'argile cuites avec un système d’espacement, de canaux de coulée et de canaux d'évents. Une fois le bronze coulé et refroidi, on casse les parties en argile avec un maillet. On reprend les détails à froid et on ajoute des éléments coulés séparément si nécessaire.

Avec cette technique, on peut choisir d'incruster des éléments métalliques en plaçant des feuilles de métal, de cuivre rouge par exemple, dans les rainures des segments de moule. Au contact du bronze en fusion, le métal va fondre et s'unir à lui.

Voir aussi

• Alliage
• Corrosion
• Cristallite
• Cristallographie
• Ductilité
• Hydrométallurgie
• Lingot
• Mécanique des milieux continus
• Métallurgie des poudres
• Minéralurgie
• Ouvrier
• Sidérurgie
• Soudage
• Tôle