L'aluminium et ses alliages

Pour les spécialistes de propriété industrielle, il est hautement symbolique que l'industrie de l'aluminium soit née d'un brevet, ou plus précisément de deux brevets, mais si proches l'un de l'autre que l'on pourrait presque les confondre : d'une part le brevet de Paul Héroult, déposé en France le 23 avril 1886, accordé le 1er septembre 1886, pour une durée de quinze ans, sous le numéro 175 711, complété par un certificat d'addition déposé le 15 avril 1887, et d'autre part celui de Charles Martin Hall déposé aux États-Unis le 9 juillet 1886, et déposé en France le 2 avril 1889 sous le numéro 400 766, pour une durée de 17 ans. (Héroult est à gauche de la photo et Hall à droite)

Aujourd'hui, si l'on veut expliquer à une personne qui l'ignore comment fonctionne le procédé de production d'aluminium, on peut reprendre sensiblement les mêmes termes qu'utilisaient l'un et l'autre inventeur, cent et quelques années plus tôt :

" On décompose l'alumine, dissoute dans un bain de cryolithe en fusion, à une température proche de 1000° C, par passage d'un courant continu de faible tension entre une première électrode (cathode) en contact avec le creuset en charbon aggloméré qui contient la cryolithe (1), et une seconde électrode (anode) en charbon aggloméré comme la première, plongeant dans le bain. L'oxygène se dégage à l'anode, qui brûle à son contact, tandis que l'aluminium fondu se rassemble dans le fond du creuset. Le bain de cryolithe fondue reste constant et ressert à peu près indéfiniment s'il est alimenté en alumine. L'électrode positive (l'anode) est à remplacer après combustion, mais cette combustion empêche la polarisation et assure la constance dans l'action du courant électrique. L' aluminium produit doit être périodiquement extrait, par exemple par aspiration ou siphonnage."

Simple rappel : L'aluminium pur fond à 659°C, sa masse volumique est de 2,7g/cm3 à 20°C, et de 2,29 à 1000°C. Sa masse atomique est de 27, (26,98) son numéro atomique 13, et on ne lui connaît pas d'isotope naturel. Dans la liste des éléments qui constituent la "croûte terrestre", il se situe, en pourcentage, à 8,07% juste après l'oxygène (46,71%) et le silicium (27,69%) et devant le fer (5,05%), la calcium, le sodium, le potassium, le magnésium (2,08%) et le titane (0,62%). L'humanité ne risque pas de pénurie dans l'industrie de ces différents métaux.

A ce jour, (données de 2002) la totalité des usines d'aluminium dans le monde, dont la production se situe un peu au-dessus de vingt-six millions de tonnes, fonctionnent sur ce principe ; pour 2003, les prévisionnistes prévoient environ vingt-sept millions de tonnes. Les brevets de Paul Héroult et de Charles Martin Hall étant tombés dans le domaine public, selon les législations des pays dans lesquels ils étaient déposés, dans la première décennie du XXe siècle, on peut se demander quel a été l'objet des dizaines (ou centaines) de milliers de brevets qui ont été déposés de 1886 à nos jours, et comment les différents producteurs, et tout particulièrement Aluminium Pechiney (2), ont pu bâtir une stratégie de propriété industrielle leur assurant, sinon un impossible monopole, tout au moins une forte position technique et économique, par rapport à leurs grands concurrents, notamment : les américains Alcoa et Reynolds, le canadien Alcan, le norvégien Norsk Hydro.

Depuis le moment où ces lignes ont été écrites (15 septembre 2003), la situation a évolué assez rapidement : l'OPA (hostile à l'origine) d'ALCAN sur PECHINEY avait toutes chances de réussir , sauf intervention de dernière heure des autorités de Bruxelles. L'acquisition s''est opérée sur la base d'un cours de l'action Pechiney de 48,50 €. (Nous passons sur les détails). La constitution de ce nouveau et puissant groupe industriel se retrouvera sensiblement a égalité avec l'américain ALCOA. : 3,5 millions de tonnes d'aluminium primaire pour Alcoa, et un peu moins (3,2 MT) pour l'ensemble Alcan-Pechiney. La Russie et la Chine sont à peu près à égalité, au niveau de 2,5 à 3 millions de tonnes.

Le 12 décembre, Travis ENGEN, actuel président d'AlCAN a été nommé à la présidence du nouveau groupe, qui sera présent dans 63 pays, avec un effectif total de 88 000 salariés. Le siège du nouveau groupe reste à Montréal. C'est une nouvelle page qui s'ouvre dans l'histoire de l'aluminium, le plus extraordinaire étant que le procédé de fabrication est resté pratiquement identique, dans ses grandes lignes, depuis 1886, et que les besoins du marché sont toujours en croissance (10 MT en 1970, plus de 22 MT en 2003).

Désormais, PECHINEY, dont les actions ont été retirées de la Bourse de Paris, est entré dans l'Histoire de l'industrie du XX° siècle, le 1er octobre 2004. après avoir débuté en 1896.

La CONTROVERSE JURIDIQUE sur les BREVETS Hall et Héroult.

Tous ceux qui se sont un jour intéressés à la naissance et au développement du procédé Hall-Héroult savent qu'il a été marqué, dès l'origine, par un problème d'antériorité de l'invention : qui a réellement été le premier inventeur du procédé de production d'aluminium par électrolyse ignée d'alumine dans un bain fluoré maintenu à l'état fondu par l'effet Joule du courant d'électrolyse ?. Est-ce Hall dont la demande de brevet a été déposée aux États-Unis le 9 juillet 1886, puis en France sous priorité de la demande américaine, ou Héroult, dont la demande de brevet a été déposée en France le 23 avril 1886, puis aux États-Unis, sous priorité de sa demande française ?

Compte tenu de l'entrée en vigueur, le 1° janvier 1884, de la Convention d'Union de Paris pour la Protection de la Propriété Industrielle», signée le 20 mars 1883, (et ratifiée par les États-Unis le 30 mai 1887) et des particularités de la loi américaine sur les brevets, la réponse à cette question n'est pas évidente, d'autant plus que l'on devrait faire intervenir deux partenaires américains, moins connus, qui viennent compliquer le jeu : C. S. Bradley, et les frères Cowles, qui avaient tenté, l'un et l'autre, de breveter le chauffage du bain de cryolithe par l'effet Joule du courant d'électrolyse ; les frères Cowles avaient finalement été déclarés contrefacteurs des brevets Hall. Nous laisserons de côté ces trouble-fête, et cette querelle américano-américaine pour nous limiter aux brevets Hall et Héroult.

On a déjà beaucoup écrit sur cette querelle de brevets, mais la plupart des auteurs, dont la compétence n'est aucunement en cause, se sont parfois égarés dans une profusion de détails sur les faits et les dates, ce qui n'a pas contribué à clarifier le débat. En réalité, et en prenant un peu de hauteur par rapport au problème, l'origine des difficultés se situe dans la différence fondamentale du système d'attribution d'un brevet à l'auteur d'une invention selon le droit des États-Unis et selon les dispositions légales en vigueur dans la quasi-totalité des autres États de la planète, y compris en France, à la fin du XIXe siècle, mais qui n'avait pas changé un siècle plus tard.

N.B. Les deux paragraphes suivants pourraient être omis en première lecture :

A- Lorsqu'un inventeur estime que son invention est arrivée à un degré de maturité tel qu'il devient possible, et même souhaitable, de la protéger par un brevet, sous peine de la voir tomber à bref délai dans le domaine public, il met en route une procédure de «demande de brevet» devant l'Office des brevets de son pays, procédure qui aboutira normalement à la délivrance d'un brevet, si l'invention remplit les critères fixés par la loi du pays. Ces critères sont habituellement la nouveauté, l'application industrielle, plus une troisième condition que l'on a appelée, selon les pays et les époques : utilité, progrès technique, activité inventive, non-évidence, etc. Les choses se compliquent si deux inventeurs, travaillant indépendamment l'un de l'autre, font à peu près simultanément la même invention ou deux inventions très proches l'une de l'autre par les moyens mis enjeu et les résultats qu'elle procure, et déposent chacun une demande de brevet dans leur pays. La solution universelle (hors États-Unis) est simple : le brevet est attribué à l'inventeur qui a le premier présenté, dans les formes requises, sa demande de brevet à l'Office des brevets de son pays, et dans le cas présent à l'I.N.P.I. en France. Jusqu'à une certaine époque, l'I.N.P.I. enregistrait le jour, l'heure et la minute à laquelle la demande était enregistrée, qu'elle ait été transmise par voie postale ou directement présentée au guichet de l'I.N.P.I. 26 bis rue de Saint-Pétersbourg, Paris-8°, ou à celui d'une agence régionale de l'I.N.P.I. ou encore au bureau des brevets de la préfecture de son domicile. Depuis quelques années, seule la date est enregistrée, ce qui a déjà donné lieu à quelques difficultés que nous n'évoquerons pas, car elles n'apportent rien au débat Hall-Héroult.

B-Le système français se fonde sur la règle du "premier déposant" ou "first to fîle", autrement dit : le brevet est attribué à celui qui l'a déposé le premier auprès de l'Office. Aux États-Unis, les choses sont tout à fait différentes, c'est la règle du "premier inventeur" ou du "first to invent" qui s'applique : la Constitution des États-Unis ne comporte pas, comme c'est le cas en France, de disposition expresse prévoyant que les conventions, traités et accords internationaux, ratifiés par le Congrès, ont automatiquement priorité sur le droit interne. Cette tradition protectionniste permet donc aux États-Unis de se dégager de certaines obligations prévues par les dites conventions, ou de les interpréter en leur faveur : c'est l'exemple de la Convention de Paris de 1883 qui prévoit, entre autres dispositions, que le dépôt d'une demande de brevet dans un des pays de l'Union de Paris confère à son titulaire un délai de priorité d'un an jour pour jour pour étendre sa demande dans un ou plusieurs des pays de l'Union, tout en gardant, dans ces pays, le bénéfice de la date de dépôt de la première demande dans le pays d'origine. Mais, aux États-Unis des artifices de procédure, qui n'ont pas encore totalement disparu, (et dont la description serait fastidieuse), favorisait assez largement les inventeurs américains en ce qui concerne ce droit dit de "priorité unioniste".

Après bien des péripéties, Paul Héroult et Charles Hall conclurent un "gentlemen agreement" qui laissait à Hall l'exploitation de son brevet aux États-Unis, et à Héroult l'exploitation en France et dans les autres pays européens où il avait déposé son brevet. Pour l'anecdote, on peut noter les coïncidences qui ont marqué la vie et la carrière des deux inventeurs : même année de naissance (1863), Héroult à Thury-Harcourt, près de Caen, et Hall à Thompson (Ohio), même date pour le dépôt des brevets (1866) et même date de décès de l'un et l'autre, à 51 ans, en 1914.

(En-tête de la première page du brevet Héroult FR 175711 du 23 avril 1886)

Cliquer pour agrandir l'image

COMMENT PRODUIT-ON l'ALUMINIUM ?

L'introduction en a fourni un premier aperçu, mais il faut entrer dans les détails, si l'on veut y comprendre quelque chose.

Au tout début, comme dans la quasi totalité de la métallurgie extractive, on part d'un minerai : la bauxite. C'est une belle roche rouge foncé, qui a emprunté son nom au village des Baux de Provence où ce minerai a été découvert. Ces gisements sont maintenant épuisés. La couleur rouge est due à la teneur en fer contenue dans le minerai. Avant que l'on parle d'aluminium, des géologues avaient repéré ces gisements de pierres rouges, riches en fer, qui auraient pu, aux environs des années 1860, alimenter des hauts-fourneaux dans les régions de Beaucaire et de La Voulte, mais la teneur excessive en alumine les en avaient finalement dissuadé. (cité dans : Jacques Lanthony, voir bibliographie en fin de chapitre).

Toutes les bauxites ne sont pas aussi colorées. Il y à sur la planète d'énormes gisements (Australie, Brésil, Jamaïque, Afrique centrale.(Guinée), Russie, Surinam Venezuela, (ainsi qu'en Grèce), dont les plus intéressants contiennent très peu de fer, mais aussi de la silice, de l'oxyde de titane et diverses autres impuretés. La production mondiale de bauxite dépasse cent-vingt millions de tonnes par an. Leur teneur réelle en alumine dans les bauxites peut varier de 55 à 85 % . La moitié environ est utilisée pour d'autres usages que la production d'aluminium, notamment des abrasifs (corindon, bauxite frittée), des produits céramiques et réfractaires, des "alumines activées", des gels absorbants etc. Sur la base de la formule Al₂O₃, on doit extraire en théorie 52,9 % de l'aluminium, le reste étant de l'oxygène dont on verra le sort un peu plus loin. Il faut à peu près 4 à 6 tonnes de bauxite brute (selon les qualités) pour obtenir in fine une tonne d'aluminium.

La première partie du procédé est chimique. La bauxite est broyée finement, puis traitée sous pression et à température élevée par de la soude caustique ; la liqueur ainsi obtenue, transformée en "aluminate de sodium", est filtrée pour éliminer les impuretés, puis on procède à la décomposition de la liqueur en l'ensemençant pour provoquer la "précipitation" des cristaux d'hydroxyde d'aluminium que l'on filtre et calcine à des températures variables selon les types d'alumine que l'on désire. Cette alumine, de formule Al₂O₃ ainsi obtenue est très pure, de couleur blanche.(3). En France, c'est l'usine Pechiney de Gardanne, près d'Aix-en-Provence, qui assure cette production par le bon vieux procédé breveté par Karl Bayer en 1887, utilisé de façon quasi universelle, mais après avoir, au fil des ans, subi pas mal de liftings... Quant aux "boues rouges" c'est le résidu qui est éliminé avec le fer, la silice, le titane et autres impuretés. Ces boues rouges ont souvent, dans le passé, posé des problèmes d'évacuation et de stockage, au grand dam des écologistes.

La deuxième partie est électrochimique. On procède à une "électrolyse", c'est-à-dire à une dissociation de la molécule d'alumine, qui va séparer l'oxygène et l'aluminium métallique. Plus facile à dire qu'à faire... La plupart des minerais métalliques que l'on trouve sur la planète sont des oxydes des différents métaux (plus rarement des sulfures ou des composés plus complexes), à l'exception de l'or qui n'existe qu'à l'état "natif". Pour les obtenir, il faut les séparer de l'oxygène : Pour certains, comme l'antimoine, l'argent, le cadmium, l'étain, le germanium, le plomb, le zinc, et même le cuivre, rien de plus facile : on chauffe avec un réducteur carboné et le métal fondu est récupéré. et purifié. Pour le chrome, le cobalt, le fer et la fonte, le manganèse, le nickel, etc. c'est déjà plus difficile (pensez aux hauts-fourneaux, aux fours à arc électriques et aux convertisseurs). Là où çà se complique, ce sont les atomes métalliques très fortement liés aux atomes d'oxygène et notamment l'aluminium, le calcium, le magnésium, le niobium, le titane, le thorium, l'uranium, le zirconium. Il faut procéder à des opérations complexes et coûteuses en énergie. L'alumine est un des oxydes les plus "coriaces" à se laisser transformer en métal... (L'oxyde de titane aussi, mais c'est une autres histoire à laquelle nous nous intéresserons dans un autre chapitre).

Revenons à l'aluminium : les "pionniers", dès 1854 (4), avaient expérimenté des réactions chimiques, d'une mise en œuvre délicate, mais qui auraient pu, à la rigueur, produire du métal commercial. Le coup de génie de MM. Hall et Héroult, travaillant chacun de leur côté sans se connaître (du moins au départ) eurent l'idée d'extraire l'aluminium sous forme de métal liquide, en dissolvant l'alumine dans un bain fondu de cryolithe ( aux environs de 960 à 980°C) et en faisant passer un courant électrique dans la marmite. Le cryolithe (étymologiquement : "pierre du froid") constituait d'importants gisements (maintenant épuisés) dans les régions arctiques (Grœnland). Cette cryolithe, de formule chimique AlF₃, 3NaF (ou : AlF₆Na₃), dont le nom savant est hexafluoro-aluminate de sodium, est capable de dissoudre l'alumine jusqu'à une teneur d'environ 10 %, à des températures proches de 1000°C. On la fabrique maintenant par synthèse sans difficulté. Par la suite, on a ajouté au bain d'électrolyse des proportions subtilement dosées de trifluorure d'aluminium AlF₃, et aussi de fluorure de calcium (CaF2).

Il est étonnant de constater que les premières "marmites" de Hall et surtout d'Héroult, cylindriques à l'origine en 1890, prirent assez vite la forme parallélépipédique après quelques tâtonnements, dés 1893, à l'usine de La Praz, en Savoie. Elles fonctionnaient sous une intensité de cinq à six mille ampères et sous 6 à 7 volts.

100 ans plus tard, elles fonctionnent (par exemple à Péchiney-Dunkerque) sous trois-cents mille ampères et à peine 4 volts, la consommation d'énergie étant descendue d'environ 25 000 kilowatts.heures par tonne d'aluminium (5) à 12 000 Kwh/T environ.

Pour fixer les ordres de grandeur : une cuve moderne à trois-cent-mille ampères produit environ 850 tonnes d'aluminium par an. Le rendement est proche de 97 %, ce qui prouve que les conditions de l'électrolyse ont été optimisées jusque dans les plus petits détails. Avec deux séries de cent cuves, une telle usine peut produire 170 000 tonnes d'aluminium par an.(6), et elle consomme environ 200 000 anodes par an, d'un poids moyen d'environ 400 kg. Chaque anode dure environ 25 jours avant d'être remplacée.

Sur la photo ci-contre, le capot enlevé permet de voir une des anodes qui plonge dans le bain d'électrolyse, dont la partie supérieure est "croûtée" pour éviter les déperdition de chaleur. Il peut y avoir jusqu'à une vingtaine d'anodes, alignées sur deux rangées.

Les grosses tiges carrées métalliques supportent les anodes carbonées dont la position en hauteur est réglable tout au long de leur durée de vie, à mesure qu'elles "s'usent" par combustion ; les gaz qui en résultent (monoyxde et dioxyde de carbone) sont collectés et évacués après avoir traversé des filtres à poussières, lesquelles sont récupérées et réinjectées dans la cuve.

Ces poussières contiennent des dérivés fluorés, et c'est ce qui a empoisonné l'atmosphère aux environs des usines pendant de nombreuses années. Mais ce n'est plus le cas, et, tout au moins dans les pays dits "civilisés" (on ne vise personne en particulier...) la récupération de ces effluents compense très largement leur valeur. Rien ne se perd. Les gens, les vaches et les sapins de Maurienne peuvent vivre en paix.

Le problème de l'alimentation en courant électrique.

Toutes les cuves modernes fonctionnent sous une tension anode-cathode à peine inférieure à 4 volts. Il serait en théorie possible de construire un redresseur de courant, qui, partant du poste THT à 400 kV de l'usine, permettrait d'abaisser la tension et le redressement du courant jusqu'aux 4 volts (continus) requis, avec, par exemple, 300 kA soit une puissance de 1,2 MW (mégawatt) par cuve. Mais les redresseurs au silicium ont une chute de tension interne que l'on estime à près d'un volt, ce qui constituerait une perte proche de 20 %, inacceptable. C'est pour cette raison que l'on a opté dés 1910 (environ) .pour la mise en série d'un nombre important de cuves : des dizaines à l'origine, puis des centaines, toutes reliées électriquement en série, le courant sortant de l'une entrant dans la suivante de la série. Si l'on veut installer une série de 200 cuves (ce chiffre est assez habituel), on utilise des redresseurs qui fourniront 800 volts sous, par exemple, 300.000 ampères, et la perte de quelques volts sera négligeable. En outre, pour des raisons pratiques, on préfère construire deux séries parallèles de 100 cuves, dans deux halls séparés, éloignées de quelques dizaines de mètres, pour des problèmes d'effets magnétiques, et aussi pour installer, en tête du bâtiment, le départ et le retour du courant de la sous-station sur l'ensemble des deux séries. Comme on le voit sur la photo ci-contre, les cuves sont disposées "en travers" (et non en long) par rapport à l'axe de la série. Cette disposition est pratiquement universelle (ça n'a pas toujours été le cas) pour de nombreuses et bonnes raisons qui nous entraîneraient dans des détails un peu trop techniques.

La générateur d'énergie ( la "sous-station") doit fournir sans défaillance 240 mégawatts, plus les auxiliaires, notamment la cuisson des anodes, la fonderie etc. On ne doit pas être très loin des 300 mégawatts. Un réacteur nucléaire ne serait pas de trop, d'autant plus que ce type de générateur travaille dans des conditions très stables, favorables à une longue durée de vie avec peu d'entretien. C'est ce qui a été réalisé, au début des années '70 avec l'aluminerie de "Pechiney Netherlands", située à Vlissingen (à l'embouchure ouest de l' Escaut) alimentée par une centrale nucléaire, construite à Borssele, non loin de là, avant que la contestation anti-nucléaire ne se soit déchaînée...Elle a fonctionné avec une constance remarquable, sans le moindre incident, mais actuellement, compte-tenu de son âge, "on" envisage sérieusement une euthanasie en 2003 ou 2004. Bien entendu, tout le monde n'est pas de cet avis...

En savoir encore un peu plus ?

Pour cela, nous allons présenter une coupe transversale d'une cuve d'un type assez classique, dépouillé des détails inutiles mais qui aideront à en comprendre la structure et le fonctionnement.Une cuve d'électrolyse type Hall-Héroult comporte un caisson métallique (1) rectangulaire en acier, très rigide, de façon à résister aux déformations par contraintes thermiques. Il est revêtu de plusieurs couches intérieures, composées de matériaux réfractaires et isolants. (Voir la coupe ci-contre).

Dans certains cas, on est amené à disposer des plaques de calorifugeage amovibles sur les parois externes des caissons, et aussi de prévoir des circulations d'air entre les renforts externes, de façon à pouvoir maitriser les écarts de température qui dépas- seraient les "valeurs de consigne".

En commençant par le bas, on trouve : sur le fond du caisson une première couche réfractaire (2), surmontée d'une couche de pâte carbonée (3), constituée par le malaxage à chaud de grains de coke (7) calibrés et de goudron (aussi appelé "brai"). Cette couche est fortement tassée à chaud et doit être parfaitement horizontale. Elle sera cuite lors de la mise en marche d'une cuve neuve.

Les "blocs cathodiques" (4) ont été préalablement moulés et cuits à température élevée. On a ménagé dans ces blocs des rainures dans lesquelles sont scellées des barres d'acier (5) pour conduire et répartir le courant d'électrolyse. (l'acier est meilleur conducteur électrique que le carbone utilidé). Les parois latérales (6) du caisson sont également garnies de pâte carbonée. Sur les rebords latéraux du caisson on a prévu des capots facilement amovibles (7 ) qui permettent d'intervenir sur la cuve, notamment pour changer les anodes (8), lorsqu'elles sont usées, et régler leur hauteur. La température, au niveau de la couche de cryolithe fondue et de l'aluminium se situe habituellement vers 930 - 980°C. Elle doit rester aussi constante que possible.

La couche d'aluminium fondu (9) augmente à mesure que l'électrolyse progresse, il faut donc, périodiquement, d'une part aspirer ou siphonner une partie (une partie seulement) de l'aluminium produit, et d'autre part ajuster l'espace entre le dessous des anodes et la surface de la couche d'aluminium.liquide.(9) surmontée par la couche de cryolithe fondue (10). Cet espace anode-cathode (11) est très réduit, comme le montre le schéma.

La surface du bain de cryolithe est "croûtée" pour éviter des déperditions de chaleur. Le "talus" latéral (13) joue également un rôle important dans l'équilibre thermique de la cuve. Périodiquement, un dispositif pneumatique automatisé (14) perfore la croûte (12) et introduit une quantité précise d'alumine, de façon à réguler sa concentration optimale dans l'électrolyte. L'alumine arrive à l'état fluidisé dans le caisson (16), et les gaz et poussières qui s'échappent sont collectés par le conduit (17) puis épurés. Le courant sortant de chaque cuve sort par les conducteurs (18) et va se raccorder sur les anodes de la cuve suivante dans la série.

Le plancher du bâtiment est situé à peu près au niveau de la croûte de cryolithe (12). Les connexions électriques entre les cuves successives sont disposées dans le sous-sol, et les caissons (1) des cuves reposent sur des berceaux en béton.

L'aluminium fondu, extrait par aspiration dans les différentes cuves, est rassemblé dans de grandes poches métalliques calorifugées, puis stocké dans un four de réchauffage et traité pour éliminer les quelques "crasses" et impuretés diverses, et enfin coulé soit dans des lingotières en fonte, soit, en coulée continue sous forme de très gros "plateaux" (6 à 8 mètres de long, jusqu'à 2 m de large, jusqu'à 60 cm d'épaisseur, pesant jusqu'à 10 tonnes) qui peuvent être stockés ou directement envoyés au laminage, ou encore dans des dispositifs de coulée continue entre rouleaux ou sur roues de coulée. Tout cela fonctionne sans interruption vingt-quatre heures sur vingt-quatre.

La pureté du métal ainsi produit est de l'ordre de 99,7 à 99,8 %, les deux impuretés principales étant la silicium et le fer qui ne présentent pas d'inconvénients pour les applications courantes. Pour des usages particuliers (notamment l'électronique) on peut produire, par raffinage électrolytique, un métal d'une pureté bien supérieure à 99,995 %, dans des cuves dont la structure présente quelques analogies avec celles qui produisent l'aluminium primaire. Il existe aussi un procédé de "ségrégation" (une sorte de cristallisation fractionnée) qui permet d'accéder à des puretés du même niveau que pour le raffinage.

A première vue tout cela semble relativement facile, mais sans l'intervention de l'électronique et de l'informatique, il ne serait pas possible de maintenir constants les très nombreux paramètres, : température, espace anode-cathode, niveau des anodes et compensation périodique de leur usure, épaisseur des "talus", teneur en alumine, ajouts de certains additifs (fluorure d'aluminium). etc..(il y en a un grand nombre), le tout étant "autogéré" par des microprocesseurs individuels, sur chaque cuve. Il faut aussi penser que l'équilibre thermique d'une série de cuves fonctionnant par 50°C dans l Émirat de Dubai et celui d'une autre fonctionnant en Sibérie par 40°C en-dessous de zéro peut créer des problèmes, y compris pour le personnel....

Quant aux effets magnétiques, on imagine bien que des intensités de plusieurs centaines de milliers d'ampères (en courant continu) induisent au moins deux types d'effets : les effets locaux, sur les cuves et les effets environnementaux. Nous en dirons quelques mots :

Effets locaux : Pour la régularité de marche, la surface de la nappe d'aluminium fondu devrait être, dans l'absolu, d'une planéité parfaite. Plus facile à dire qu'à faire.. Dés que la puissance des cuves a atteint des niveaux de 30 à 40 000 ampères, dans les années 1920-1930, les exploitants ont vu apparaître des effets de plus en plus gênants, notamment par l'apparition de de déformations ou de différences de niveau ou même d'oscillations de la nappe d'aluminium liquide et même des vagues entre divers points de la cuve, allant jusqu'à provoquer des "giclées" de métal fondu hors de la cuve (8).

De savants mathématiciens avaient tenté de calculer la "carte" des champs magnétiques, mais il semble bien que ce soit surtout le flair et les observations méthodiques, et, plus tard, les simulations sur informatique, que les exploitants ont fini par maîtriser les effets magnétiques. A une certaine époque (vers 1950) le palier des 100 000 ampères avait semblé infranchissable. Il n'en a heureusement rien été, puisque désormais les 500 000 ampères ne sont plus un rêve : un projet d'usine de 460 000 tonnes/an vient d'être mis en chantier sur la base de la technologie PECHINEY dite AP50. Les quelques lignes qui précèdent représentent, en réalité, dans leur sèche brièveté, une extraordinaire aventure, humaine, scientifique et technique, un peu comme le passage du Douglas DC3 à l'Airbus 380, ou de la locomotive à vapeur 141R au TGV Paris-Marseille....

Effets environnementaux : on sait depuis longtemps que les champs magnétiques continus, même intenses, ont une nocivité quasi-nulle sur les êtres vivants. Par exemple, les appareils d'imagerie médicale à résonance magnétique ne causent aucun troubles aux patients qui subissent ces types d'examens, malgré les intensités en jeu. Même situation pour l'environnement des énormes engins "briseurs d'atomes" dans les centres de recherches nucléaires (synchrotrons et autres). Le danger est surtout dans la manipulation de tout objet ou outil en métal ferro-magnétique à proximité des cuves ou de l'IRM,. qui peut se transformer en projectile mortel dans l'enceinte où l'on voudrait pénétrer. Aux alentours d'une usine d'électrolyse, on constate des effets désagréables si l'on n'est pas prévenu : démagnétisation des cartes de crédit et autres pistes magnétiques (magnétoscopes, camescopes, cassettes audio ei videos, disques durs, montres et autres dispositifs à cristaux liquides, écrans des téléphones portables,etc.), mais les zones à risques sont généralement balisées. Des panneaux d'avertissement ont été placés sur la route qui longe l'usine de St. Jean-de-Maurienne. Des précautions ont du être prises pour les effets sur les moniteurs couleurs à tubes trichromes des ordinateurs des salles de contrôle. Les nouveaux écrans à cristaux liquide semblent nettement moins vulnérables.On a parfois noté, sur le parc à voiture de l'usine ou le long de la route proche, des dérèglements d'appareils de mesures, ou de systèmes ABS ou GPS, et, dit-on, de déclenchements d'Airbags, ce qui ne m'a pas été confirmé.

En revanche, les champs électromagnétiques puissants, et ce d'autant plus que leur fréquence est élevée, posent de réels problèmes physiologiques : par exemple les faisceaux radar, les émetteurs de télécommunications et de télévision dans les gammes UHF et SHF, les relais téléphoniques disposés sur et à proximité des habitations. Un four ménager à micro-ondes dont le blindage a été endommagé peut causer de gros ennuis à son utilisateur s'il n' y prend garde. En ce qui concerne les téléphones portables des nouvelles générations, le doute subsiste, et il n'est pas encore possible de poser un diagnostic précis. Mais rien de tel en ce qui concerne les cuves d'électrolyse.

Quelques compléments sur la production de l'aluminium.

Il n'était pas possible, dans le cadre de cet exposé de passer en revue toutes les faces de l'industrie de l'aluminium, d'autant plus que l'amont et l'aval de cette industrie sont indissociables : de la bauxite à l'aile d'un Airbus quel chemin à parcourir ! .Comme il faut bien se limiter, nous allons simplement apporter quelques compléments, et plus précisément sur les points suivants : (voir le schéma en coupe, plus haut)

1°-Les produits carbonés.

Sans carbone, pas d'aluminium. possible, et cela pour une double raison :

-1° Pour décomposer la molécule d'alumine Al₂O₃, dissociée dans la cryolithe fondue, en ions Al3+ et O2--, il faut "arracher" les 3 ions oxygène à la molécule d'alumine, et les combiner avec le carbone, qui se transformera, au niveau de l'anode, en monoxyde et en dioxyde de carbone. Quant aux ions Al3+, il se recombinent avec les électrons du courant électrique pour former l'aluminium liquide. Donc, en simplifiant, la réaction peut s'écrire : Al₂O₃ + xC = 2Al + xCO/CO2. C'est aussi simple que cela...(enfin,.presque). C'est la bain de cryolithe fondue qui sert de "support" à cette dissociation de l'alumine, et qui dure de façon pratiquement illimitée, avec quelques rares additions périodiques pour maintenir le niveau et la teneur en additifs.

-2° Le seul matériau qui, en dehors de l'anode puisse subsister quasi-intact pendant des mois et des années, c'est le carbone (pas n'importe quel carbone...) qui constitue le garnissage calorifuge, étanche et réfractaire chargé de contenir à la fois l'aluminium fondu (aux environ de 960-980°C) et la cryolithe, additionnée d'un peu de trifluorure d'aluminium et de fluorure de calcium, également portée à 960-980°C, malgré la corrosivité de ce bain.

Quatre types de matériaux ou pièces carbonés interviennent dans la structure et le fonctionnement de la cuve :

-A : L'anode. Elle est fabriquée, comme on l'a rappelé précédemment, par malaxage de grains de coke parfaitement calibrés, et de brai. Le malaxage est réalisé à chaud, à 150 - 200°, et le mélange doit être soumis à une certaine puissance de malaxage pendant une certaine durée et une certaine température. (traduisez : les détails relèvent du savoir-faire secret). Chaque anode est moulée par compression à chaud, de forme parallèlépipédique, et elle est, à sa partie supérieure, munie de trois ou quatre (ou plus) cavités dans lesquelles s'insèreront des plots métalliques. Mais avant cela, il faut les cuire dans des fours spéciaux, dits "fours à chambres" pendant une centaine d'heures. Elles seront d'abord refroidies, stockées, puis mise en service au fur et à mesure que les autres s'usent.

Chaque anode doit, en moyenne, durer une vingtaine de jours. Bien entendu, on ne les remplece pas toutes à la fois...On scelle les anodes aux tiges cathodiques en coulant dans les cavités prévues à cet effet une fonte dont la composition est calculée de façon à se dilater légèrement au refroidissement. Calculons rapidement : une vingtaine d'anodes par cuve (ou plus), 200 cuves, une durée de vie moyenne de deux à trois semaines avant que l'usure n'ait atteint les goujons métalliques scellés. Cela veut dire que le four de cuisson n'a pas intérêt à tomber en panne, et qu'il faut conserver un bon stock d'anodes. Le schéma ci-contre donne une idée de la structure des" fours à chambres" : les anodes sont empilées dans les chambres de cuisson, les gaz de combustion portés à haute température assurent la cuisson qui dure pendant plusieurs jours. (Voir brevet US 4 859 175, aux noms de MM. Christian Dreyer, Jean-Claude Thomas et Claude Vanvoren).

Juste quelques mots au passage : dans le passé, les producteurs d'aluminium hésitaient entre la technique des "anodes précuites" et des anodes "Sœderberg", dites "autocuisantes". Les deux techniques avaient chacune leurs défauts et leurs qualités, mais à certains moments, çà tournait presque à la guerre de religion.. C'est quand même la solution "anode précuites" qui a fini par tirompher par K.O. technique.. Actuellement, il ne doit plus y avoir, dans le monde, une seule usine d'aluminium équipée d'électrodes Sœderberg, sauf, me semble-t-il, la vieille usine Alcan de Saguenay (Quebec), qui est en train de fermer. On en utilise encore, toutefois, dans des fours d'aciérie et de production de ferro-alliages.

-B : Les garnissages. Autant l'anode est pressée de brûler, autant les garnissages de la cuve : fond, parois, talus ont intérêt à maintenir une étanchéité sans défaillance, sinon on retrouve l'aluminium dans le sous-sol. C'est déjà arrivé...(pas souvent).

-C : Les blocs cathodiques n'ont pas droit à la moindre défaillance. Ils sont munis d'une rainure en "queue d'aronde" sur toute leur longueur, et on scelle, également avec un fonte spéciale, les barres d'acier qui évacuent le courant cathodique vers la cuve suivante dans la série. Il est parfois possible de rafistoler un "talus" latéral, mais la mort du bloc cathodique entraîne celle de la cuve. Eux aussi sont fabriqués avec les plus grands soins, à partir de pâtes carbonées, moulées et cuites à haute température. Là encore, l'étanchéité ne doit souffrir aucune défaillance.

-D : Les résidus carbonés : les "mégots" (c'est ainsi qu'on les nomme) d'anodes usées, sont séparés des tiges métalliques et des goujons que l'on remettra en état de marche, les parties carbonées seront broyées pour être recyclées avec les matériaux de départ, y compris la fonte de scellement. Lorsqu'une cuve arrivait en fin de vie (il y a encore quelques années) , une "vie de cuve" pouvait se compter par trois à cinq ans. Ce chiffre est maintenant dépassé. Sur les cuves hors service, Il y a un gros travail de démontage : la séparation du caisson d'acier et des résidus carbonés. La remise en état des tiges d'anodes n'est pas facile à automatiser.

Divers résidus carbonés de démontage des cuves hors d'usage peuvent contenir des produits indésirables. Exposés aux imtempéries, ils risquent de dégager des gaz toxiques qui résultent de la formation de cyanures alcalins, et l'humidté ou la pluie aidant, de l'acide cyanhydrique, très toxique, peut se former. Il y a donc lieu de prendre beaucoup de précautions aux abords du chantier de démontage.

2° Les anodes (et cathodes) non-carbonées.

Pendant longtemps, les spécialistes de l'électrolyse de l'aluminium rêvaient d'anodes inusables. Dans le passé, on avait essayé des "ferrites" , c'est-à-dire des oxydes de fer de formule approximative Fe304, mais çà ne tenait pas longtemps, et les effets de "polarisation" étaient difficiles à maîtriser. C'est vrai que les changements d'anodes constituent toujours une sujétion et que cela pèse sur la pénibilité du travail (même fortement automatisé) et sur les prix de revient.

Au début des années 1980, plusieurs producteurs d'aluminium, dont PECHINEY, s'engagèrent sur une nouvelle voie de recherche : les anodes incombustibles en "borures métalliques" et notamment en borures de titane (TiB2) ou de zirconium. Une vague d'enthousiasme passa. C'était bien vrai que l'oxygène libéré de l'alumine, n'ayant rien d'autre à se "mettre sous la dent", se dégageait à l'état gazeux, sans endommager l'anode. On avait également montré que le revêtement du fond de cuve avec du borure de titane pouvait abaisser sensiblement la "chute cathodique", ramenant ainsi la tension d'électrolyse de 4 volts à moins de 3, avec toutefois un inconvénient : l'aluminium fondu ne "mouille" pas les borures (question de tension superficielle), ce qui risque de déstabiliser la nappe d'aluminium liquide sous les effets magnétiques.Il y a aussi le risque que de faibles quantités de titane et du bore se retrouvent dans l'aluminium extrait des cuves.Le titane a le défaut de réduire, même à faible doses, la conductivité électrique de l'aluminium. (N.B.: cette conductivité est de l'ordre de 63 % de celle du cuivre pur, dit IACS, International Annealed Copper Standard).

Malgré des essais sur des prototypes et en vrai grandeur, aucune cuve de production ne fonctionne actuellement, à notre connaissance, sur ce principe. En 2000, un groupe de travail HERAEUS (DE), MOLTECH (CH), CORUS (NL) et ENEA (IT) a effectué un certain nombre d'essais qui n'ont, semble-t-il, pas dépassé ce que l'on connaissait déjà. Hall et Héroult peuvent dormir tranquilles..Mais les choses peuvent évoluer.

BREVETS et ALLIAGES d'ALUMINIUM

Le nombre de brevets déposés dans les bases de données avec les mot-clé "aluminium" (9) dans le titre, depuis les deux "jumeaux" de Hall et d'Héroult, est quasi incalculable. Faut-il parler en dizaines ou centaines de milliers ? Finalement, c'est d'importance réduite, la plupart d'entr'eux ayant disparu dans les greniers poussiéreux des Offices de brevets. Mais de ceux qui restent, qui n'ont pas sombré dans l'oubli, ou même qui ont connu un sort glorieux, on peut tenter de reconstituer un cheminement dans l'histoire de cette industrie de l'aluminium. : pensez au Duralumin (Wilm,1903) et à l'Alpax (Alidar Pacz, 1927) qui ont ouvert une nouvelle ère dans les alliages légers, en particulier dans l'aviation.

A titre d'introduction, nous voudrions citer un passage de l'ouvrage de Jacques LANTHONY (voir réf biblio. ci-dessous):

"On a pu constater quelques années avant la guerre de 1940 une véritable frénésie de recherche d'alliages nouveaux, une sorte de "recordite" s'était emparée des métallurgistes légers ; c'était à qui gagnerait 1 kg (10Mpa) de résistance et surtout 1% d'allongement. Il était né, ainsi, plus de six cents alliages en "IUM" ou en "AL" qui ne différaient que de bien peu dans leur composition, tournant en général autour de 4% de cuivre, avec quelques additions de magnésium ou d'éléments extravagants : bore, cérium, carbone, niobium, etc. Dans le but de protéger de soi-disant antériorités, certaines firmes n'hésitèrent pas à breveter tous les éléments non-gazeux de la table de Mendeleief ; un des noms les plus pittoresques fut celui d'un alliage contenant 0,2 % d'antimoine et prétendant résister à l'eau de mer, baptisé, de ce fait, "Thalassal" par un métallurgiste lecteur de Xénophon et de sa retraite des Dix Mille.".

- L'aluminium pur.

L'aluminium, tel qu'il sort des cuves d'électrolyse, est purifié par différents traitements physico-chimiques, avant d'être coulé en lingotières ou en plateaux ou en coulée continue. C'est, à ce stade, un métal relativement "mou" (avant qu'on lui ait fait subir des contraintes mécaniques) : une limite élastique de 30 à 40 Mpa (qui passe à 150 à l'état écroui), une charge de rupture de 70 à 100 Mpa (200 à l'état écroui), un allongement de 10 à 40 % à l'état recuit, (env. 5% à l'état écroui), il n'y a pas de quoi s'émerveiller. Heureusement, il existe de très nombreux usages qui peuvent aller de l'électronique (feuilles de condensateurs, semi-conducteurs) à l'aluminiage des miroirs de télescopes, des phares de voitures, en passant par les applications comme conducteurs électriques pour lesquels il faut trouver un compromis entre la conductivité électrique et la charge de rupture pour les fils et câbles, et aussi pour des applications d'échanges thermiques (radiateurs, échangeurs, cryogénie, etc.), sans compter les emballages alimentaires : "papier d'aluminium", composites aluminium-plastique, capsules de surbouchage, tubes de dentifrice et cosmétiques, etc. On ne finirait pas d'en citer.

- Les familles d'alliages.

Le premier alliage d'aluminium a été créé involontairement par Héroult, dont quelques unes de ses marmites étaient munies de barres d'arrivées de courant en cuivre, qui se sont peu à peu "dissoutes" pour donner une sorte de "bronze d'aluminium" à 10 ou 12 % de cuivre...

Très rapidement, vers la fin du XIXiéme siècle et au début du XXième, les métallurgistes commencèrent à produire, de façon plutôt empirique, des alliages à base d'aluminium, dont les éléments d'addition étaient principalement le chrome, le cobalt, le cuivre, le fer, le magnésium, le manganèse, le nickel, le silicium, le zinc, et, plus tard le titane et le zirconium, et enfin le lithium (vers 1990).. Une de leurs préoccupations étaient de renforcer les caractéristiques mécaniques de l'aluminium en y ajoutant surtout des métaux de faible densité : magnésium, silicium, lithium de façon à ne pas augmenter, et même à diminuer si possible, la masse volumique du métal de base (2,7 g/cm3 à 20°C) pour profiter de sa légèreté, notamment dans l'aéronautique. Mais on n'a pas pu éviter d'introduire du cuivre, du fer, du manganèse, du nickel et quelques autres qui ont des masses volumiques de l'ordre de 7 à 8 g/cm3.

Il faut faire une distinction selon que l'on parle d'un produit naturel ou d'un produit industriel. L'aluminium est un des quatre-vingt douze éléments naturels qui existent sur la planète, et c'est même un des plus abondants. (voir plus haut). Mais est-ce un produit naturel ou un produit industriel ? une invention ou une découverte ? La réponse est nette et sans discussion : l'aluminium a été "découvert" (et non "inventé") par le savant allemand Woehler, à l'Université de Göttingen en 1827. Il l'a isolé sous forme d'un culot métallique, par réduction du chlorure d'aluminium par le potassium. Ce procédé de production d'aluminium a peut-être été breveté (on peut en douter), mais le métal produit en tant que tel n'aurait pu en aucun cas être "approprié" car c'est un des éléments que la nature à mis à notre disposition, au même titre que les autres éléments connus à cette époque. D'ailleurs, les successeurs : Sainte-Claire Deville, Héroult, Hall se sont bien gardés de revendiquer non pas l'aluminium en lui-même, mais les divers procédés utilisés pour le produire. Et les alliages, nous dira-t-on ? Il en existe dans la nature à l'état de minerais complexes dont l'extraction conduit, après diverses opérations physico-chimiques, à obtenir des métaux alliés. Nombreux sont les exemples :

les minerais de Joachimstall (uranium+polonium+radium, Pierre et Marie Curie),
les minerais de nickel+cobalt, (Cuba, Canada) ou de fer+cuivre+cobalt (Katanga)
la bauxite qui a pu être considérée comme un minerai de fer ou d'aluminium,
les minerais dits de la "mine du platine" : platine+ iridium+osmium+rhodium+palladium, etc.,
les minerais dits des "Terres rares" : lanthanides (éléments 57 à 71)(10) et actinides (éléments 90 à 103, les 11 derniers étant tous artificiels), et qui demandent des prodiges techniques pour les séparer.

Là encore, seuls les les procédés mis en œuvre peuvent être "appropriés" (par brevets) alors que les éléments eux-mêmes ne le peuvent pas. Jusque là, les choses sont, me semble-t-il, à peu près claires.

Mais, comme le notait Jacques LANTHENY (op.cit), dés que la production d'aluminium prit un caractère industriel, c'est-à-dire dés les premières années du XXième siècle, les imaginations se déchaînèrent pour faire de ce nouveau métal "un peu mou", n'ayons pas peur de l'écrire, des alliages fantastiques, avec ses trois qualités majeures : légèreté, excellente conduction thermique et résistance remarquable à la corrosion, qui allaient, logiquement, reléguer le fer et les aciers dans les musées. Il n'en fut rien, heureusement.

A l'heure actuelle, les producteurs d'alliages légers ont regroupés en familles les principaux éléments d'addition, conformément aux normes française AFNOR NF A 02-104 ainsi qu'aux spécifications internationales de l'Aluminium Association. (Voir le site : Aluminium Association).

Les normes actuelles comportent, pour chaque "famille" un code numérique à quatre chiffres, dans lequel l'élément d'alliage prédominant est cité.

1000 : aluminium non-allié >99%
2000 : alliages aluminium-cuivre
3000 : alliages aluminium-manganèse
4000 : alliages aluminium-silicium
5000 : alliages aluminium-magnésium
6000 : alliages aluminium-magnésium-silicium
7000 : alliages aluminium-zinc
8000 : alliages aluminium-lithium et autres.

Les "personnes agées", dont je fais partie, ont eu beaucoup de mal à abandonner les anciennes normes françaises qui avaient des désignations beaucoup plus "parlantes", Chaque élément d'addition étant cité en clair ou en abrégé, accompagnées du pourcentage de l'élément d'addition prédominant. C'est ainsi qu'on parlait de "AU4G" (aluminium avec 4 % de cuivre(U) et du magnésium(G) ou encore des très célèbres AS13 (13% de silicium)ou de l'AZ5GU(5% de zinc+ magnésium + cuivre + un chouia de chrome ou de zirconium). On le désigne maintenant sous le code 7075, avec ses descendants : 7475, 7010, 7050 qui sont les alliages de base pour la plupart des applications aéronautiques, civiles et militaires. L'alliage AU4GN (4%de cuivre, 0,8% de magnésium + du nickel, du silicium, du titane ou du zirconium) connu sous la nouvelle norme 2618 était celui du regretté "Concorde", dont les structures n'ont jamais connu de défaillances.

Il faudrait aussi faire une distinction entre les alliages avec ou sans durcissement structural, mais nous recommandons vivement aux personnes intéressées de consulter le site Encyclopédie YAHOO : Yahoo, et en tapant "aluminium", qui est tout à fait remarquable à la fois dans la précision et la concision.

- les brevets d'alliages.

Ainsi que nous l'avons indiqué plus haut, le nombre de brevets concernant des alliages à base d'aluminium sur l'ensemble des pays industrialisés défie tout inventaire exhaustif.. Mais nous nous limiterons à l'époque contemporaine et nous donnerons quelques exemples des produits les plus utilisés faisant l'objet de brevets.

Les utilisations des alliages d'aluminium peuvent, très schématiquement, se résumer en 2 classes :

1°- les alliages de fonderie : ils comportent de 5 à 20 % de silicium (+ divers) l'eutectique Al-Si est à 12,7% de Si et 577°C, ils sont coulés dans des moules, par ex. les blocs moteurs dans l'automobile. Les chercheurs ont très longtemps travaillé (notamment au CRV de Voreppe) sur ce que l'on appelait, pas analogie avec les fontes à graphite sphéroïdal (fontes ductiles), des alliages aluminium-silicium à "silicium sphéroïdal". Quels qu'aient été les efforts des chercheurs, cette "sphéroïdisation" du silicium" qui aurait conféré à ces alliages une plasticité analogue à celle des fontes dites "malléables" n'a jamais pu être obtenue. La raison en est que dans les fontes les particules de graphite prennent une forme sensiblement sphérique, grâce à la conjonction d'additions d'éléments d'alliages (notamment silicium, magnésium, nickel...) et à des traitements thermiques, ce qui assure une capacité de déformation assez élevé. Dans les alliages Al-Si, rien de tel; les cristaux de forme allongée d'AlSi forment une sorte de réseau qui tendent à renforcer, comme le feraient des fibres, la solidité de l'alliage, mais avec réduction de la plasticité et de l'usinabilité. Il y a une vingtaine d'années, une approche (brevetée) avait permis de modifier la structure aciculaire du silicium présent dans l'alliage par des additions de sodium ou de strontium, mais la structure fibreuse s'était seulement réduite.

Mais les travaux qui ont été effectués ont quand même eu pour résultat d'améliorer très sensiblement les caractéristiques mécaniques des alliages AlSi qui poursuivent une belle carrière grâce à des additions d'éléments divers : cuivre ( 3 à 5%), cobalt, magnésium (0,3 à 1%), manganèse, et, plus récemment grâce à des additions contrôlées de cuivre et phosphore, le tout associé à des traitements thermiques.

2°- les alliages de "corroyage" c'est-à-dire que l'on met en forme en exerçant des contraintes associées à des températures (on parle de "traitements thermo-mécaniques", allant de l'ambiante à plus de 500°C : laminage, filage, extrusion, forgeage, matriçage, emboutissage, frittage, etc.

C'est dans ce domaine que les progrès des alliages (associés à des brevets) ont été les plus déterminants essentiellement dans la construction aéronautique, et notamment dans les séries 7000 (voir ci-dessus) et 8000 (voir ci-après) . Ces alliages font, selon les pays, l'objet de brevets "produits" et/ou "procédé". Dans la plupart des cas, ce sont les brevets de procédés ou de procédé associé à la composition (nous verrons un exemple un peu plus bas), qui sont les plus aptes à assurer une protection industrielle. En effet, les compositions chimiques des différents alliages sont, pour la plupart, connues à l'exception de quelques additions mineures -sinon homéopathiques - qui seront rapidement détectées par les concurrents. C'est donc la description par "étapes" ou "steps" (selon le terme anglo-saxon) qui doit faire l'objet de revendications.

N.B. Les lecteurs peu familiarisés avec le langage des revendications ("claims") risquent d'avoir quelques difficultés, non pas à cause de la langue anglaise, mais avec la compréhension et la lourdeur du style qui est, dans la plupart des cas, quasi oblgatoire pour en extraite toutes les informations techniques et juridiques.

Pour prendre un exemple récent, nous reproduisons les revendication du brevet américain US 6 485 583 (ou EP 1 114 198) publié le 26 novembre 2002 :

1. A method for the production of an aluminum-based alloy product comprising:(1) preparing a
mechanically alloyed powder having a composition within the following ranges, all of the ranges being
specified in weight percent :
lithium 1.2 to 1.4 %
magnesium 4.5 to 5.5 %
carbon 0.25 to 0.40 %
oxygen up to 1.0 and optionally, up to 2.0 of grain controlling elements, said elements being selected
from scandium, titanium, vanadium and niobium at up to 0.2 weight percent, nickel and chromium at
up to 0.5 weight percent, hafnium at up to 0.6 weight percent, and cerium at up to 0.5 weight percent,
thé balance being aluminum and incidental impurities; (2) de-gassing and consolidating the powder at
an elevated temperature, followed by (3) fabricating the de-gassed and consolidated powder into an
ultimate product form of the same composition.
2. A method according to claim 1 wherein nickel and chromium are présent at up to 0.2 weight
percent.
3. A method according to claim 1 wherein the fabrication of the de-gassed and consolidated
powder into the aluminum-based product is carried out using forging at a température of between 250 and 450°C.
4. A method according to claim 3 wherein the forging process is carried out at a temperature of
300 to 400°C.
5. An aluminum-based alloy product produced by the method of claim 1.
6. An aluminum-based alloy product produced by the method of claim 2.
7. An aluminum-based alloy product produced by the method of claim 3.
8. An aluminum-based alloy product produced by the method of claim 4.

Que note-t-on dans ce brevet ? C'est une "method" ou, en français un "procédé" (on peut aussi dire "méthode") d'obtention d'un alliage à base d'aluminium obtenu par la "métallurgie des poudres", c'est-à-dire par frittage à partir d'éléments de base à l'état divisé. Le procédé comporte trois stades : 1- préparer un mélange d'au moins un des éléments d'alliages dans les proprotions indiquées, 2- dégazer le mélange de poudres ou grains que l'on comprime à température élevée, 3- transformer la "poudre consolidée" mise en forme. Dans ce type de revendications, on constate que le procédé s'appuie sur le produit pour obtenir la protection recherchée. On peut laisser de côté les revendications secondaires, les n° 2 et 3 précisant que le produit obtenu selon la revendication 1 est mis en forme par forgeage entre 250 et 450°C, et de préférence entre 300 et 400°C.

Voici un second exemple, plus ancien, US 4 600 556, mais concernant également des alliages au lithium série 8000 , dont nous ne reproduirons que les revendications les plus importantes :

1. A process for improving the fracture toughness in the non-aged condition with substantially no reduction in
tensile properties, of a product composed of an alloy containing, by weight, about 0.5 to about 4% lithium, 0 up to
about 7% magnesium, 0 up to about 6% copper, 0 up to about 2% zirconium, 0 up to about 5% cerium, 0 up to
about 6% zinc, 0 up to about 2% silicon, 0 up to about 5% carbon, 0 up to about 2% oxygen, and the balance
essentially aluminum, and wherein the alloy product further contains 0 up to about 10% by volume of a dispersoid,
which comprises: shaping the alloy at a homologous température of said alloy below about 0.75, heat treating the
shaped product above the température of the shaping treatment, provided said heat treating température is a
homologous temperature in the range of about 0.65 up to about 0.85, and cooling the resultant heat treated
shaped product.
2. A process accordingto claim 1, wherein shaping is accomplished by rolling.
3. A process according to claim 1, wherein cooling is accomplished outside the furnace and by a method selected
from the group air cooling and liquid quenching.

10. A process for improving the fracture toughness in the non-aged condition, without sacrificing substantially
tensile properties, of a product made from an aluminum-lithium alloy powder comprising, by weight, 0 to about 4%
lithium, 0 to about 7% magnesium, 0 to about 2% oxygen, 0 to about 5% carbon and the balance essentially
aluminum, which comprises: degassing and compacting thé powder at temperature in the range of about 480°C
up to the incipient melting temperature ofthe alloy, consolidating the compaction and then shaping the
consolidated material by a thermomechanical treatment at a homologous temperature of said alloy below 0.75,
subjecting the resultant shaped product to a homologous temperature above the temperature above the
temperature of the thermomechanical treatment, provided said heat treating temperature is a homologous
temperature in the range of 0.65 to 0.85, and cooling the resultant heat treated shaped product.
11. A process according to claim 10, wherein shaping is effected by steps comprising forging.
12. A process according to claim 11, wherein the alloy contains up to 4% lithium.
13. A process according to claim 11, wherein the alloy consiste essentially of about 1 to 4% lithium, about 2 to
about 4.5% magnesium, a small but effective amount for increased strength up to about 2% carbon, a small but
effective amount for increased strength and temperature stability up to about 2% oxygen.

16. A dispersion strengthened aluminum-lithium-magnesium alloy consisting essentially of about 1 to about 3%
lithium, about 1 to about 5% magnesium, a small but effective amount for increased strength up to about 2%
carbon a small but effective amount for increased strength up to about 2% oxygen, said alloy having in the forged
heat-treated, non-aged condition a Y.S. (0.2% offset) of at least 414 MPa (60 Ksi), and a fracture toughness of at
least about 22 MPa m@1/2 (20 Ksi in@1/2).
17. A dispersion strengthened alloy according to claim 16, wherein the alloy is comprised of about 1 up to about
4% lithium and about 2 to about 4% magnesium.

(N.B. YS=yield strength, en français : charge de rupture.)

Il s'agit également d'un procédé d'obtention d'un alliage aluminium-lithium, série 8000, obtenu par métallurgie des poudres, dont les éléments d'alliages complémentaires sont, en plus du lithium (de 0,5 à 4 %), du magnésium (de 0 à 7 %), du cuivre (0 à 6% ), du zirconium (0 à 2 %), du cérium (0 à 5%), du zinc (0 à6 %), du silicium (0 2%), du carbone (0 à 5%) et de l'oxygène (0 à 2 %). Jusqu'ici, on s'en sort à peu près, mais, surprise, à partir de la revendication 10, on constate que les éléments d'addition peuvent être présents en quantité minimale théoriquement égale à 0 : 0 à 4 % de lithium, 0 à 7 % de magnésium, 0 à 2 % d'oxygène, 0 à 5 % de carbone.'à 5%. On est assez supris que l'examinateur ait accepté pour chaque élément d'addition une limite inférieure égale à 0. Ce qui siginfierait qu'il ne reste plus que de l'aluminium et du lithium...Ce brevet, qui a été délivré le 15 juillet 1986 est un excellent exemple de ce qu'il ne faut pas faire.

Voici, pour terminer, un exemple de brevet français concernant un procéd&eacu