La matière

La matière première : le métal

Qu’est-ce que le métal ?

Du latin metallum et du grec metallon, le métal est un élément chimique caractérisé par une forte conductivité thermique et électrique, un éclat particulier dit « éclat métallique », une aptitude à la déformation et une tendance marquée à former des cations.

Source : dictionnaire Larousse

Aujourd’hui, 86 métaux sont repris dans le tableau de Mendeleïev parmi lesquels l’or, le cuivre, l’argent, le plomb, l’étain, le fer, le mercure.

Les caractéristiques des métaux

• Les métaux possèdent une plus haute densité que les non-métaux.
• Ils se distinguent aussi dans leur apparence : les métaux sont brillants, alors que les non-métaux peuvent être opaques ou transparents.
• A l’exception du mercure, tous les métaux sont présents sous forme solide à température ambiante, mais peuvent passer à l’état liquide si on les chauffe.
• Ils sont tenaces : c’est-à-dire qu’ils résistent à la traction
• Ils sont durs : résistance à la pénétration
• Ils sont fusibles : par la chaleur, on peut les faire passer de l’état solide à l’état liquide
• Ils sont moulables : à l’état liquide, ils peuvent être refroidis et solidifiés dans un moule en prenant la forme de celui-ci.
• Ils sont malléables : contrairement aux pierres, les métaux ne se brisent pas quand on leur porte un coup, ils se déforment en conservant la nouvelle forme acquise. La malléabilité est la raison pour laquelle on peut laminer (rouleau compresseur) un matériau, le forger (martèlement), ou découper plus ou moins facilement un métal.
• Ils sont ductiles : La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre pour former notamment des fils.
• Ils sont conducteurs : conductivité thermique ou électrique, c’est-à-dire que les métaux transmettent la chaleur ou le courant électrique à des degrés divers.

D’où viennent les métaux ?

C’est dans le sol, sous forme de minerais (roches contenant des matériaux), qu’on trouve les métaux. Ils se présentent parfois à l’état pur, mais ils sont la plupart du temps mélangés à d’autres éléments : par exemple, la majorité des minerais de fer sont des composés chimiques de fer, d’oxygène et de silicium.

La majorité des minerais métallifères rencontrés sur notre planète sont les suivants :

• des oxydes (bauxite pour l’aluminium)
• des sulfures (galène pour le plomb, sphalérite pour le zinc)
• des carbonates (malachite pour le cuivre, sidérite pour le fer)
• des silicates (garniérite pour le nickel et le magnésium)

Source : https://ecoinfo.cnrs.fr/2014/04/28/1-les-mines-de-minerais-metalliferes/

Le métal de prédilection des métalliers : le fer

Le fer représente le plus fort volume de minerai produit dans le monde. Le fer est peut-être l’élément le plus abondant sur Terre ou du moins comparable en masse à l’oxygène, mais seulement le 4^e élément le plus abondant dans la croûte terrestre.  Il est la matière première de l’industrie sidérurgique pour la production de l’acier nécessaire à l’industrie automobile, à l’aéronautique, au BTP, aux biens d’équipement et surtout pour les métalliers !

Source : Article du journal le Monde, les principaux gisements de minerais

Les principaux Etats producteurs de minerai de fer au monde sont la Chine, l’Australie, le Brésil, l’Inde et la Russie. Les cinq principaux pays producteurs représentent à eux seuls 80% de la production mondiale.

Source : https://www.planetoscope.com/matieres-premieres/178-production-mondiale-de-minerai-de-fer.html

Une ressource épuisable…

Les ressources en minerai de fer ne sont malheureusement pas inépuisables. Ci-dessous un extrait à ce sujet d’un article très intéressant de Patrick Hairy concernant une possible pénurie mondiale…

« Le nombre d’années de réserve en minerai dépend de la réserve connue à ce jour et de la consommation annuelle mondiale. Cette consommation augmente mais le taux de croissance de la consommation (corrélé avec le taux de croissance mondial) est incertain et les projections dépendent très fortement de ce taux. Ainsi, la consommation actuelle de minerai de fer est de 2494 millions de tonnes par an pour une réserve estimée à 173 500 millions de tonnes. Avec une croissance de 2 % par an, la réserve calculée serait de 46 ans (épuisement en 2065) alors qu’avec 3 %, elle serait de 39 ans (épuisement en 2058) et qu’enfin avec 4 %, elle tomberait à 34 ans (épuisement en 2053). Cependant, ces réserves minières, quelles qu’elles soient (50 ans, 75 ans, 100 ans ou davantage), ne sont pas infinies et vont tendre à s’épuiser inexorablement avec un coût d’exploitation plus important au fur et à mesure de la diminution de la concentration en métal du minerai exploité, augmentant le prix du métal (même si le prix du minerai n’est qu’une part du prix du métal). »

Source : Article « Les métaux, vers une pénurie mondiale »

Heureusement, le métal peut être recyclé et la filière se développe très rapidement, cf. ci-après.

Transformation du minerai en métal

Pour qu’ils puissent être utilisés, les minerais doivent être séparés et débarrassés des autres éléments. Concernant le fer, le minerai est concassé et broyé, puis transformé en concentré.

Le minerai de fer donne du fer métallique (Fe) lorsqu’il est chauffé en présence d’un agent réducteur comme le coke. On utilise pour cela surtout un traitement appelé « fusion » qui s’exécute dans un fourneau où la combustion atteint une température élevée. On y fond le métal et, devenu liquide, on pourra l’isoler plus facilement et créer une substance « pure ».

Source : Dossier pédagogique métaux

Pour plus de détails sur la fabrication de l’acier, le site de construiracier détaille les différentes étapes du processus.

Une autre filière de production s’est développée en lien avec la pénurie prévisible d’acier et l’accumulation de ferraille recyclable : la filière électrique. Les aciers de la filière électrique sont essentiellement créés à partir d’une source d’aciers recyclés. Ces ferrailles sont récupérées et triées dans un parc à ferrailles qui va alimenter un four électrique à arc. L’abondance de l’énergie électrique dans les pays modernes et l’organisation de la filière de récupération et de tri, ont permis d’élargir l’utilisation de cette filière à la production d’aciers de tout type et, de plus en plus, aux aciers de qualité. Cette filière est en perpétuelle évolution technique et représente une part de plus en plus importante de la fabrication d’acier dans le monde.

Du fer à l’acier des métalliers

 

L’acier est un matériau contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont la teneur en carbone est généralement inférieure à 2 %.

Source : www.mindmeister.com

L’acier est un matériau ferreux qui se distingue à la fois du fer et de la fonte. C’est un alliage métallique dont l’élément chimique principal est le fer et dont l’autre élément essentiel est le carbone, élément présent dans des proportions comprises entre 0,02 % et 1,67 % en masse, voire exceptionnellement 2%. Un nombre limité d’aciers au chrome peut avoir une teneur en carbone supérieure à 2%, mais cette valeur de 2% est la teneur limite courante qui sépare l’acier de la fonte.

Source : construiracier.fr

L’acier peut également contenir d’autres éléments issus de son élaboration ou ajoutés volontairement, en vue d’ajuster sa composition chimique, et par conséquent, ses caractéristiques mécaniques.

Les éléments chimiques présents dans l’acier peuvent être classés en 3 catégories :

•  Les impuretés, originellement présentes dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As), l’antimoine (Sb) ;
• Les éléments d’addition (les principaux sont le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo)) qui sont ajoutés de manière intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées.
• Les éléments d’accompagnement que l’aciériste utilise en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir en final un acier conforme à la spécification. C’est le cas d’éléments comme l’aluminium, le silicium, le calcium.

Source : www.techno-science.net

Il existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel et 18 % de chrome en masse).

Chaque pays a son mode de désignation des aciers. La désignation européenne selon la norme EN10027 distingue quatre catégories :

• les aciers non-alliés d’usage général (construction), dits « aciers à ferrer les ânes » et les aciers non-alliés spéciaux, pour traitement thermique, malléables, soudables, forgeables… ;
• les aciers faiblement alliés, pour trempe et revenu ; les éléments d’alliage favorisent la trempabilité et permettent d’avoir des aciers à haute dureté, à haute limite élastique, pour les outils, les ressorts, les roulements…
• les aciers fortement alliés parmi lesquels les aciers inoxydables,
• les aciers rapides, qui gardent la trempe à haute température, donc qui restent durs malgré un échauffement ; ils sont essentiellement utilisés comme aciers à outil (foret, fraises, anciens outils d’usinage).

Source : op cit

Le métallier utilise différents types d’acier, en fonction des caractéristiques recherchées. Par exemple les aciers galvanisés (acier recouvert de zinc) et les aciers inoxydables sont résistants à la corrosion. Les aciers inoxydables sont également utilisables pour des usages alimentaires mais leur coût est plus élevé, amenant le métallier à s’orienter la plupart du temps vers des aciers non-alliés.

Les autres métaux utilisés en métallerie

Les métaux ferreux

• Le fer : très malléable, son utilisation principale concerne la fabrication de grille, de grillages ou d’armatures.
• La fonte : comme l’acier, c’est également un alliage de fer et de carbone, mais qui contient une proportion de carbone supérieure à celle de l’acier. C’est un matériau de très bonne qualité utilisé pour la fabrication de radiateurs, de canalisations, de rambardes, bâtis, contrepoids, etc.

Les métaux non-ferreux

• Le cuivre : c’est l’un des métaux les plus résistants autant aux chocs, qu’au feu et à l’eau. Il est cependant très cher, mais reste utilisé pour les canalisations.
• Le zinc : le zinc est utilisé pour les gouttières en raison de son extrême durabilité et de sa résistance à l’humidité.
• L’aluminium : un métal léger et très résistant aux intempéries. Son utilisation concerne principalement les portes et les fenêtres soumises aux intempéries.
• Le laiton : c’est un alliage principalement composé de cuivre et de zinc. Il sert beaucoup en métallerie ainsi qu’en serrurerie, boulonnerie et en décoration.