Intro

Les VTT modernes sont souvent en aluminium, en fait il sont fait de tubes ou de toles en aliage d'aluminium. Les caracteristiques de ces aliages auront des repercusions sur le comportement, le poids, la resistance, la duree de vie et le prix d'un cadre de VTT. C'est pour cela que le type d'aliage est employe comme agument marketting pour vendre un VTT. Afin de vous aider a demystifier ces arguments, je vous ai pondu une petite doc sur ces aliages.

L'aluminium brut est beaucoup trop tendre pour la pluspart des utilisations, c'est pour cela que l'on l'alie avec differents elements (metaux ou mineraux) comme le cuivre, le magnesium, le silicium ou autres. Ces aliages sont classe selon la norme ISO par un nombre a 4 chiffres.

Classification des aliages

1xxx Aluminum pur (>99% Al)

2xxx Le cuivre est l'aliage principal, mais d'autre elements peuvent etre ajoutes (magnesium)

3xxx Le manganese est l'aliage principal, mais d'autre elements peuvent etre ajoutes (magnesium)

4xxx Le silicium est l'aliage principal

5xxx Le magnesium est l'aliage principal

6xxx Le magnesium et le silicium sont les aliages principaux

7xxx Le zinc est l'aliage principal, mais d'autres elements peuvent etre ajoutes (magnesium, cuivre, chrome et Zirconium)

8xxx Autre elements (commes l'etain, derives de Lithium)

9xxx Serie reservee pour un usage futur

Contrairement a une idee recue, ce n'est pas le chiffre qui fait qu'un aliage est meilleur qu'un autre. Certains aliages ont des domaines de predilection que d'autres n'ont pas. Par exemple, certains aliages sont tres performants du point de vue solidite mais ils ne supportent pas d'etre soudes.

Domaines d'utilisation des aliages

Les aliages d'aluminiums peuvent etre utilises dans deux domaines principaux:

- Le moulage

- Le forgeage (aluminium retravaille en forgerie, ex. laminage)

Ces deux domaines peuvent etre subdivises en deux categories:

- Le traitement a chaud: Un traitement dans des fours a haute temperature selon un cycle defini permet d'augmenter certaines caracteristiques de l'aliage (durcicement)

- Les aliages non traites.

La composition detaillee de tout ces aliages est decrite dans ce tableau

Les aliages forgeables

Il est usuel de distinguer deux groupes d'alliages suivant qu'ils sont ou non susceptibles de durcissement structural.

Les aliages sans durcissement structural

Ils tirent leurs proprietes d'un traitement en phase solide et/ou par travail a froid.

Serie 1xxx: Ces types d'aliages se caracterisent par une tres bonne resistance a la corrosion, une tres bonne conductivite thermique et electrique, des proprietes mecaniques mediocres mais une tres bonne maleabilite. Leurs proprietes mecaniques peuvent etre legerement ameliorees par un traitement a froid.

Serie 3xxx: Ces aliages au manganese sont generalement plus solides que ceux de la serie 1xxx. Ils restent assez maleables et resistants a la corrosion. On les retrouve dans les ustensiles de cuisine, les canettes de boisson et le papier alu.

Serie 5xxx: De bonnes voire tres bonnes proprietes mecaniques, cet aliage au magnésium peut etre traite par un travail a froid afin d'augmenter sa solidite, mais attention, un traitement trop intense pouvant provoquer ruptures. Les aliages de cette serie offrent une bonne soudabilite et une bonne resistance a la corrosion. Le magnesium est nettement plus efficace que le manganese pour augmenter la solidite de l'aliage, de plus le magnesium peut etre ajoute en tres grosse quantite mais cela aura pour effet de limiter la temperature max d'utilisation de l'aliage et sa resistance a la corrosion. Une temperature trop elevee pouvant provoquer des craqures. Cet aliage offre un tres bel aspect lorsqu'il est poli, on le retrouve souvent dans des assemblages de toles soudees tel que des cuves ou des coques de bateau.

Les aliages avec durcissement structural

Les aliages traites a chauds contiennent des elements alies a l'aluminum a haute temperature, ces elements sont ensuites precipites a basse temperature. C'est la combinaison optimale entre la temperature et les temps de cycle de chauffage qui permet d'obtenir les meilleures caracteristiques mecaniques (durete maximum).

Serie 2xxx: Ces aliages necessitent un traitement a chaud en solution pour obtenir des proprietes optimales, lorsqu'ils sont ainsi traites, leurs proprietes mecaniques atteingnent, voire depassent, celles le l'acier apauvri en carbone ! Il est aussi possible de leur faire passer un second traitement a chaud (aging) afin d'optimiser certaines caracteristiques mecaniques comme la resistance a la fatigue. Ces aliages sont sensibles a la corrosion, ils ne peuvent etre utilises a haute temperature, ils ont une soudabilite medioctre mais certains aliages de cette serie sont particulierement propice a l'usinage. Le Duraluminum (”Al-3.5Cu-0.5Mg-0.5Mn “Duralumin) a ete un des premiers aliage perfomant en cyclisme. Laliage 2618 (Al-2.2Cu-1.5Mg-1Ni-1Fe) a ete developpe pour le Concorde afin de resister aux variations de temperature induites par la vitesse supersonique. Ces aliages sont de maniere generale tres utilises en aeronautique. On le plaque avec de l'aluminum pur ou Al-Zn pour le proteger de la corrosion.

Serie 6xxx: Contient du magnesium et du silicium (Mg2Si) afin de le rendre compatible avec les traitements a chaud. Ces aliages sont souvent moins resistants que ceux des series 2xxx et 7xxx mais ils offrent une bonne soudabilite, ils sont propice a l'usinage et au pliage. Ils ont une bonne resistance a corrosion. Ils subissent souvent un premier traitement T4 avant d'etre travailles, puis un traitement T6 afin d'augmenter leur resistance. C'est l'aliage d'alu le plus courant pour des utilisations demandant un bon rapport poids/solidite, on le retrouve particulierement sous forme de structures profilees realisees par filage.

Serie 7xxx: On y ajoute du magnesium en plus du zinc afin de le rendre compatible avec les traitements a chaud. Ainsi traite, cet aliage offre une bonne voire tres bonne resistance. Certains de ces aliages sont utilises dans les structures des avions et dans d'autres applications ou les contraintes mecaniques sont importantes. Les aliages les plus resistants sont souvent sensible a la corrosion, ils sont donc traites afin d'optimiser le rapport solidite/resistance a la corrosion. Les aliage du type Al-Zn-Mg (Cu) offrent le meilleur potentiel apres traitement (age hardening) (UTS>600 MPa). Les aliages faible en cuivre offrent une solidite moyenne, un bonne soudabilite et une faible sensibilite au trempage. Les aliages contenant plus de cuivre seront plus solides, on les retrouve dans des application aerospaciales.

Les aliages moulable

Ces aliages font l'objet d'une classification particuliere, il sont tres peu utilises dans notre domaine. Les aliages les plus courants sont du type Al-Si (3xx.x, 4xx.x), Al-Cu (2xx.x) et Al-Mg (5xx.x).

Les traitements a chaud sont rarement employes, les aliages qui en tirent profit sont ceux des series 2xx.x 3xx.x 7xx.x. Les autres series 1xx.x 4xx.x 5xx.x ne peuvent pas etre traite a chaud.

L'apport de soudure

Un autre domaine d'application est l'apport de soudure. En effet lorsque l'on soude l'aluminium, il faut un apport de matiere afin de realiser le cordon de soudure. On retrouve donc cette matiere sous forme de baguettes, de fil a souder ou de brasure.

Pour l'apport de soudure, on utilise la serie 4xxx: le silicium ajoute permet de faire baisser la temperature de fusion de l'aliage.

Les traitements

traitement thermique

Ce traitement a chaud se fait a des temperatures entre 100 et 190 degres (C) sur des durees de 8h en general. Sur les series 7xxx, il est frequent de passer plusieurs cycles d'affilee.

- chauffage à une température suffisamment élevée (450 à 550 °C suivant les alliages) pour mettre les éléments d'addition en solution solide,

- refroidissement rapide ou trempe pour maintenir la solution solide sursaturée à la température ambiante,

- durcissement de l'alliage par simple maturation à la température ambiante (état T3 ou T4) ou par revenu (état T6 ou T, c'est-à-dire chauffage à une température comprise entre 100 et 220 °C selon les alliages,

Traitement a froid

Ecrouissage, c'est-à-dire déformation plastique à froid.

Designation des types de traitement

Une lettre en postfixe indique le type de traitement de base:

F: état brut fabrication.

O: état recuit (Annealed).

H: Traitement a froid: état écroui (H1x), restauré (H2x) ou stabilisé (H3x).

T: état durci par traitement thermique (Age hardened).

Ensuite, un chiffre indique le traitement secondaire

T4 = Naturally aged (at room temperature) (solution heat treated but not precipitation heat treated)

T6 = Artificially aged to peak hardness (precipitation heat treatment)

T8x = Cold worked by x% between quenching and ageing

La corrosion

L'alu se protege de lui-meme par la couche d'oxydation qui va se former sur sa surface. C'est vrai... mais uniquement pour l'alu pur (10xx).

La serie 1xxx est excellente en matiere de resistance a la corrosion, c'est pour cela que l'on l'utilise en cuisine (casseroles, cocottes minutes, emballage, canettes) et en marine (chassis de bateaux a moteur, accastillage)

Le cuivre utilise dans les aliages de la serie 2xxx permet de renforcer l'aliage mais c'est au detriment de sa resistance a la corrosion. Ces aliage seraient rapidement fragilises en environement industriel pollue, sur un bateau ou en plein air, c'est pour cela qu'ils doivent subir un traitement de surface important.

Les aliages au manganese (30xx), restent assez peu sensible a la corrosion

La serie 6xxx offre le plus souvent une bonne resistance a la corrosion, elle ne pose aucun probleme pour des applications en plein air, voire en environnement marin. La serie 5xxx est souvent meilleure sur ce point, elle est donc utilisee dans des application sous-marines.

Les aluminums de la serie 7xxx sont optimises pour leurs carracteristiques mecaniques, mais ils sont du coup tres sensible a la corrosion sur le long terme, ils peuvent donc se fendre sous l'influence du stress et de la corrosion.

Les traitements anti-corrosion

Les aluminiums que l'on retrouve sur nos spads doivent etre traites en surface pour ne pas etre fragilises par la corrosion.

En dehors de la peinture ou du verni, il existe l'anodisation pour proteger les aliages d'alu. L'anodisation est un procede electrolytique qui va deposer une couche dure d'oxyde d'aluminum sur la surface de la piece en aliage. Pour ce faire la piece a traiter doit etre plongee dans un bain d'electrolyse en tant qu'anode du circuit electrique ainsi forme.

Il existe plusieurs type d'anodisation:

Anodisation a l'acide sulfurique.

Anotisation coloree (dite anodisation integrale).

Anodisation a l'acide chromique.

Anodisation dure.

Pour ce qui est des autres type de protection (peintures et vernis), on retrouve des methodes de convertion chimique (un genre de plastification), la peinture du type "powder coating" ou autres, mais je ne m'y attarde pas car j'y connais pas des masses. Dans tous ces cas, un traitement chimique au prealable de la surface a peintre est fortement recommande.

La soudure

La soudure est une etape difficile et tres importante lorsque l'on emploie des aliages d'aluminium. Il existes plusieurs methode de soudure, chacune necessitant une grande dexterite et de l'experience, a tel point qu'il est actuellement impossible de souder un cadre alu a l'aide de robots.

La technique la plus couramment employee est le soudage en continu au pistolet semi-automatique avec:

fil nu ou fourré dans l'air,

fil fourré et gaz inerte (MIG),

fil nu ou fourré et gaz actif (MAG),

fil nu et flux pulvérulent.

Le courant est le plus souvent continu.