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technique d'étamage, qui s'effectue de plus en plus par voie électrolytique, et non plus « au bain ». Fig. 3. — Tonnage d'étain utilisé pour les boissons en boîte (Source : Dernier). De 1957 à 1970, la brusque remontée de la consommation d'étain est d'abord et avant tout due à l'envolée de la consommation de boissons gazeuses, ajoutée à une augmentation sensible de celle de la bière en boîtes : les habitudes des consommateurs se modifient et l'achat des boissons aux supermarchés tend à diminuer la part de la bière en tonneaux servie dans les débits de boissons. Du côté
en tonneaux servie dans les débits de boissons. Du côté des emballages, rien de nouveau vraiment : l'emballage en verre à jeter se développe, mais en même temps celui du verre consigné diminue, et les deux effets s'annulent. C'est donc la boîte en tôle étamée qui absorbe tout l'accroissement de la consommation. A partir de 1970, le panorama change brusquement : les évolutions quantitatives des consommations continuent au même rythme que lors de la période précédente, mais les évolutions technologiques se multiplient et prennent le rôle prépondérant dans la brusque chute des tonnages d'étain utilisés. Dès 1963, les producteurs d'aluminium
chute des tonnages d'étain utilisés. Dès 1963, les producteurs d'aluminium (Reynolds Aluminium en premier), qui assistaient impuissants à la montée de la tôle étamée faute de pouvoir souder économiquement l'aluminium, mettent au point un procédé de fabrication d'une boîte en aluminium en deux parties : un corps fabriqué par extrusion et un couvercle monté par emboutissage. D'abord pour la bière, puis pour les sodas, la tôle étamée perd pied. Les fabricants d'acier réagissent, d'abord avec des boîtes en acier sans étain, qui ne se développent que pour la bière, puis perdent pied : la difficulté de l'extrusion, par manque de
perdent pied : la difficulté de l'extrusion, par manque de plasticité du métal, et la résistance à la corrosion trop faible expliquent cette évolution. Un nouvel essai est repris avec une tôle d'acier à l'étain, permettant une boîte en deux parties, qui limite quelque peu l'ascension de l'aluminium et explique l'arrêt de la décroissance de la consommation d'étain vers la fin des années 1970. On notera, dans cet exemple, le rôle important des producteurs de métaux, et notamment des producteurs d'aluminium. Ces derniers ont su profiter d'un mouvement en faveur des économies d'énergie qui a suivi 1973, pour accélérer les
des économies d'énergie qui a suivi 1973, pour accélérer les progrès de leur produit. Ils garantissent aux fabricants de boîtes le rachat (entre 30 et 50 cents par livre) de l'aluminium des boîtes usagées, que ces mêmes fabricants font collecter par les supermarchés, qui les rachètent pour leur part aux consommateurs. Dans certains Etats, des lois imposent d'ailleurs ce système, et la collecte des boîtes d'aluminium jetées le long des grandes routes est, pour les jeunes Américains, un bon moyen de gagner leur argent de poche. Un autre exemple de substitution massive d'un métal par un autre matériau, pour des
substitution massive d'un métal par un autre matériau, pour des raisons uniquement technologiques, cette fois, concerne le cuivre. Mais d'ores et déjà il apparaît à l'évidence que l'utilisation massive des satellites pour les communications téléphoniques intercontinentales diminue le rôle des câbles, qui étaient, eux, en cuivre. Et même pour les nouveaux câbles que l'on lancera, c'est la technologie des fibres optiques qui sera utilisée. 2. LES ACTEURS DES SUBSTITUTIONS : DE LA RECHERCHE AU DEVELOPPEMENT 2.1. Une évaluation de l'effort global de recherche et de développement Il serait faux de croire, à la lecture du chapitre précédent, que les Etats-Unis
croire, à la lecture du chapitre précédent, que les Etats-Unis ne font aucun effort en matière de recherche et de développement sur les substitutions de matériaux. Mais, encore une fois, les substitutions n'apparaissent que comme un sous-produit d'autres préoccupations, dans la plupart des cas. Une appréciation du volume de cet effort oblige donc à "ratissage large" et à considérer en une première approche, en plus des efforts de substitution stricto sensu, tout ce qui s'effectue au titre de recherches sur les nouveaux alliages et les traitements de surface, sur la métallurgie des poudres et la solidification rapide des métaux, sur
métallurgie des poudres et la solidification rapide des métaux, sur les composites, les céramiques et certains polymères. On verra au chapitre suivant en quoi ces techniques conduisent indirectement à des substitutions de matériaux. Du côté du gouvernement fédéral, l'Office of Science and Technology Policy recense chaque année, au titre des dispositions du National Materials and Minerais Policy Research and Development Act de 1980, les efforts des agences et des départements fédéraux. En se limitant aux domaines techniques définis dans les lignes qui précèdent, on peut estimer à environ 425 millions de dollars par an l'effort financier de recherche et de
de dollars par an l'effort financier de recherche et de développement qui touche de plus ou moins près les substitutions de matériaux, et plus particulièrement de métaux. La répartition en est la suivante : National Bureau of Standards : 12 millions de dollars Department of Defense : 160 millions de dollars Department of Energy : 80 millions de dollars Department of Interior : 40 millions de dollars NASA : 42 millions de dollars National Science Foundation : 80 millions de dollars Total environ : 425 millions de dollars Quant à l'effort industriel, il est quasiment impossible à apprécier avec précision
l'effort industriel, il est quasiment impossible à apprécier avec précision : les firmes ne sont guère bavardes sur ce point. Cependant, si l'on s'en tient à l'équivalence habituelle des efforts fédéraux et privés, on peut l'estimer encore à environ 500 millions de dollars par an. On arrive donc à une somme de près du milliard de dollars dépensée actuellement. Encore une fois, les substitutions elles-mêmes n'en représentent qu'une partie ; disons, pour donner un chiffre, de l'ordre de 200 à 300 millions de dollars. 2.2. La répartition des rôles Le Bureau of Mines (qui dépend du département de l’Intérieur), a
Bureau of Mines (qui dépend du département de l’Intérieur), a été traditionnellement chargé de conduire les recherches destinées à un meilleur approvisionnement du pays en métaux stratégiques, y compris les recherches sur le recyclage. Mais, depuis 1980, il s'est également tourné vers des études de métallurgie. C’est à lui que le gouvernement fédéral a donc confié le soin de mener des travaux fondamentaux sur les substitutions possibles du chrome et du cobalt dans les alliages, ainsi que sur les traitements de surface propres à remplacer ces deux métaux. Ces travaux sont effectués dans les laboratoires d'Albany, pour l'essentiel, mais également
sont effectués dans les laboratoires d'Albany, pour l'essentiel, mais également de Salt Lake City, de Reno et d'Avondale (près de Washington). Le département du Commerce réalise les études générales à caractère plus économique sur les métaux stratégiques et leurs possibilités de substitution. Il vient ainsi d'être publié, en octobre 1983, un travail intitulé « Market Trends and Forecasts for Selected Strategic Materials ». Il est, en quelque sorte, la caisse de résonance chargée d'attirer dans le pays l'attention sur les bienfaits et les nécessités des substitutions... avec moins de succès que par le passé, comme on l'a souligné précédemment. Par
que par le passé, comme on l'a souligné précédemment. Par ailleurs, le National Bureau of Standards, qui dépend de lui, joue un rôle technique considérable, aussi bien comme laboratoire d'essai des métaux que comme centre d'informations. Le responsable du Center for Materials Sciences assure le secrétariat et l'animation du Committee on Materials de l'Office of Science and Technology Policy de la Maison-Blanche. Le département de la Défense est extrêmement actif, car il est au premier chef concerné par d'éventuelles ruptures d'approvisionnement en métaux stratégiques, qui sont essentiels pour les armements modernes : moteurs d'avions, blindages de chars, têtes de fusées...
modernes : moteurs d'avions, blindages de chars, têtes de fusées... Il mène donc des recherches très actives aussi bien dans les laboratoires des trois armes que par un organisme commun aux trois armes, la DARPA (Defense Advanced Research Project Agency), qui possède une Materials Sciences Division. Celle-ci s'intéresse aussi bien aux matériaux pour l'électronique qu'à la solidification rapide des métaux et aux céramiques. On citera également, parmi les autres laboratoires très actifs, l'Office of Naval Research, qui dépend de la Marine. Il est inutile de préciser que de nombreux aspects de ces recherches sont couverts par le secret, notamment tout
de ces recherches sont couverts par le secret, notamment tout ce qui touche à la solidification rapide et à certains composites, particulièrement les composites à matrice métallique. Le département de l’Énergie confie à peu près les deux tiers de ses recherches à ses propres laboratoires, notamment Oak Ridge, Brookhaven et Argonne. Pour le reste, on note qu'il s'adresse largement au MIT, à l'University of Illinois (Urbana), à Brown University et Carnegie Mellon. Plus du tiers des contrats portent sur les céramiques et 20 % environ sur les alliages. Fig. 4. — Organisation du programme COSAM de la NASA. La NASA
— Organisation du programme COSAM de la NASA. La NASA a un rôle extrêmement dynamique, avec comme objectif d'assurer à l'industrie aéronautique et spatiale les approvisionnements en matériaux nécessaires. Elle conduit ainsi, dans son centre de Lewis, à Cleveland (Ohio) un programme intitulé COSAM (Conservation of Strategic Aerospace Materials). La figure 4 présente ce programme, fort bien structuré, dans lequel on constate la place importante prise par les substitutions. L'Annexe 1 donne une liste des universités qui reçoivent les crédits de contrats : on y trouve en bonne place Case Western (voisine du centre de Lewis), mais également Purdue, Brown,
Western (voisine du centre de Lewis), mais également Purdue, Brown, l'University of Illinois (déjà citée plus avant). Des industries participent également au programme. La National Science Foundation a un rôle d'aide aux universités ; mais les sujets traités sont évidemment beaucoup plus fondamentaux et n'intéressent que de plus loin les substitutions elles-mêmes. On citera encore le rôle de l'Academy of Sciences qui, par le National Materials Advisory Board, conseille le gouvernement fédéral et les départements ministériels sur les politiques à suivre en matière de matériaux. Un de ses groupes de travail a, par exemple, publié un travail sur les méthodes
travail a, par exemple, publié un travail sur les méthodes d'analyse et de prévision des substitutions (Analytical Techniques for Studying Substitution among Materials) ; l'Office of Technology Assessment, qui prépare une étude, attendue pour mi-1984, sur les substitutions et les économies de métaux stratégiques. Au titre des sociétés savantes ou professionnelles, on citera tout particulièrement l'American Society for Metals dont la publication mensuelle, Metal Progress, accorde une place très importante aux problèmes de substitutions. Parmi les universités, on a cité au passage celles qui sont le plus fortement engagées dans des programmes de substitutions de matériaux : University of Illinois,
des programmes de substitutions de matériaux : University of Illinois, Purdue, Case Western, Drexel, Brown, Carnegie Mellon... mais il faut bien constater que les universités sont bien moins actives dans ce domaine que dans d'autres, comme l'électronique ou la biologie : c'est que les procédés métallurgiques requièrent un matériel lourd et sont réputés « sales ». Ils sont donc plus spécialement le fait des grands laboratoires nationaux comme ceux du département de l'Energie, ou des entreprises privées. Ce jugement devrait cependant être nuancé pour ce qui concerne les substitutions par de nouveaux matériaux : en matière de composites, Virginia Polytechnic
de nouveaux matériaux : en matière de composites, Virginia Polytechnic et l'University of Delaware sont extrêmement actifs : tout comme le MIT, Rutgers University en matière de céramiques. On ne peut manquer de citer, enfin, le rôle de Columbia University, qui a créé un très actif « Center for Strategic Materials » et de la Vanderbilt University (Tennessee) qui a organisé, ces dernières années, les conférences les plus remarquées sur les substitutions de métaux. 3. LES ASPECTS TECHNIQUES 3.1. Une approche par métal Les principales substitutions ayant lieu dans le domaine des aciers, il a paru utile de donner un
domaine des aciers, il a paru utile de donner un bref aperçu de la classification généralement adaptée pour ceux-ci aux Etats-Unis sous l'égide de l'American Iron and Steel Institute. On distingue : — les aciers au carbone : ils donnent les plus gros volumes, pour des utilisations traditionnelles (tubes, rails, poutres...) ; leurs propriétés dépendent de leur teneur en carbone et en quelques éléments comme le manganèse (jusqu'à 1,65 %), le soufre, le silicium et le phosphore (en faibles quantités) ; — les aciers alliages : ils comportent du manganèse (plus de 1,65 %), du silicium (plus de 0,6 %)
(plus de 1,65 %), du silicium (plus de 0,6 %) et quelques autres éléments en faible quantité ; une sous-famille importante est celle des aciers à haute résistance (HSLA ou High Strength Low Alloys), utilisés notamment par l'automobile ; leurs propriétés leur proviennent d'additifs comme le manganèse, le silicium, le cuivre, le vanadium, le zirconium, le nickel, le niobium, le titane et le chrome ; — les aciers inoxydables et les superalliages : les inox contiennent jusqu'à 30 % de chrome et de nickel (comme le célèbre acier 18-8, 18 % de Cr et 8 % de Ni) ; on
% de Cr et 8 % de Ni) ; on les utilise dans les raffineries, les usines chimiques, les centrales thermiques, l'automobile... partout où la résistance à la corrosion est recherchée ; les superalliages, à base de cobalt, sont utilisés là où les propriétés mécaniques doivent être maintenues à haute température, et particulièrement pour les ailettes de turbines (moteurs d'avions) ou turbines à gaz ; — les aciers pour outils : leur dureté et leurs propriétés de surface sont le résultat d'ajouts de cobalt et de tungstène, ainsi que de molybdène et de chrome. 3.1.1. Le chrome Le gros de
molybdène et de chrome. 3.1.1. Le chrome Le gros de la consommation provient des aciers (plus de 60 % du total), et parmi eux, essentiellement des aciers inoxydables, utilisés pour leur résistance aux effets des températures élevées et de la corrosion (plus de 45 % de tout le chrome utilisé aux Etats-Unis). On estime en général que la teneur de 18 % de chrome réputée optimale pourrait, sans effets sensibles sur la résistance à la corrosion et aux hautes températures être ramenée à 14 %, voire à 12 %, sauf pour quelques cas de corrosion chimique. La fonction de stabilisation
pour quelques cas de corrosion chimique. La fonction de stabilisation de la structure austénitique de l'acier, assurée par le chrome, pourrait l'être par le manganèse, permettant même de descendre dans certains cas sous ce seuil de 12 %. Le rôle positif du molybdène a été mis en évidence : un acier 9 Cr-1 Mo, avec ajouts de niobium et de vanadium a été essayé avec succès dans des échangeurs de centrale thermique. De même, des fontes au silicium et au molybdène ont montré d'excellents comportements dans des environnements très difficiles, à température et érosion élevées (grilles de chaudières, par exemple).
à température et érosion élevées (grilles de chaudières, par exemple). Les alliages d'aluminium se révèlent très prometteurs, spécialement lorsque ne se pose pas de problème de corrosion par des composés soufrés ; les alliages préparés par solidification rapide sont les plus suivis. Par ailleurs, un alliage Fe-8Al-6Mo a été développé et a montré une résistance à l'oxydation par air à haute température supérieure à celle de l'acier inoxydable classique 304. Les alliages au nickel-cuivre et au nickel-molybdate ont aussi été essayés avec de bons résultats, malgré de moins bonnes propriétés mécaniques que les aciers au chrome. Mais la fonction résistance
mécaniques que les aciers au chrome. Mais la fonction résistance à la corrosion et à l'abrasion peut encore être accomplie par toute une panoplie de revêtements et de traitements de surface, qui se développe très rapidement : on l'examinera plus en détail par la suite. On attend beaucoup, en particulier, des revêtements par matériaux céramiques, mais les problèmes de stabilité du système métal-céramique dans des conditions d'utilisation difficile restent encore largement à résoudre. Au total, donc, les modes de substitution possibles du chrome sont de mieux en mieux connus. Cela ne signifie cependant pas qu'ils soient mis en pratique, en
ne signifie cependant pas qu'ils soient mis en pratique, en l'absence d'une stimulation, le chrome restant bon marché et disponible. Mais on peut estimer que, dans un délai de l'ordre de deux ans, l'industrie américaine pourrait en cas d'urgence réduire d'au moins 50 % sa consommation de chrome, du fait des substitutions. Le cobalt En 1982, 37 % du cobalt consommé aux Etats-Unis allait aux superalliages, destinés à résister à la corrosion et aux très hautes températures, notamment pour les ailettes de turbine à gaz et de moteurs d'avions ; 16 % aux aimants et 7 % aux outils (le
16 % aux aimants et 7 % aux outils (le reste allait aux catalyseurs et aux peintures et vernis). C'est incontestablement les usages pour aimants qui ont vu l'évolution la plus sensible : de 1972 à 1980, la quantité de cobalt par dollar de produit, dans ce secteur, a diminué de 68 %. La raison en est avant tout économique : les cours élevés du cobalt en 1979, après la guerre du Shaba qui a restreint brutalement les approvisionnements, a poussé les constructeurs du secteur électronique à remplacer l'Alnico (alliage aluminium, nickel, cobalt) par des céramiques magnétiques, moins chères. En
aluminium, nickel, cobalt) par des céramiques magnétiques, moins chères. En matière d'aciers pour outils, la quantité de cobalt par dollar de produit a, elle aussi, diminué de 13 %, de 1972 à 1980. Par contre, dans le domaine des superalliages, si des méthodes de substitution du cobalt existent bien, elles n'ont guère été mises réellement en œuvre jusqu'à présent, et la consommation de cobalt par dollar de produit n'a cessé de croître, depuis 1972, quoique plus légèrement ces deux dernières années. On touche là à un point très important : le coût pour obtenir la certification d'un moteur d'avion est
le coût pour obtenir la certification d'un moteur d'avion est si élevé, et les délais si longs (plusieurs années), que les fabricants de moteur n'entendent se lancer dans un changement de matériau que contraints et forcés ; et rien, pour l'instant, ne les a réellement contraints et forcés à le faire. Et pourtant, le programme COSAM de la NASA a nettement montré que l'on pouvait diminuer d'au moins 50 % la teneur en cobalt des alliages étudiés (Udimet 720, Nimonic 115, Mar-M 247, Waspaloy) qui sont des alliages de nickel comprenant de 10 à 18 % de cobalt. La résistance
comprenant de 10 à 18 % de cobalt. La résistance à la corrosion à haute température s'est même révélée être meilleure avec des teneurs en cobalt moindres, pour le Mar-M 247. De nombreux industriels se sont également lancés dans la course aux substituts aux superalliages au cobalt. Des alliages de Fe-Cr-Ni et molybdène ont été développés (par Climax Molybdenum), avec de très bonnes tenues jusqu'à 800 °C. Citons aussi des alliages de Ni-Cr et bore, pour l'industrie nucléaire ; des alliages obtenus par solidification rapide Cr-Mo-Fe-bore. On assiste donc à une éclosion de sources possibles de substitution avec cependant des
une éclosion de sources possibles de substitution avec cependant des succès encore limités (pour des soupapes, des équipements destinés à l'industrie chimique) du fait d'une réticence des grands motoristes de l'aviation militaire ou commerciale à se lancer résolument dans les substitutions. Les autres éléments Rappelons les travaux de la NASA pour chercher à diminuer les quantités de columbium (niobium) et de tantale consommés : l'un et l'autre sont en effet importés en quasi-totalité. Le columbium est utilisé pour 29 % dans les superalliages, pour 27 % dans les aciers à haute résistance et pour 13 % dans les aciers inox.
haute résistance et pour 13 % dans les aciers inox. Le tantale, surtout présent en électronique, entre cependant aussi dans la composition des superalliages. Les résultats de ces travaux sont encore trop partiels pour que des conclusions claires puissent être tirées. Il paraît néanmoins probable que, dans l'un comme dans l'autre des cas, des éléments comme le molybdène, le hafnium et le tungstène puissent être substitués. Le cas du cuivre est tout différent : les Etats-Unis, ni le monde, ne semblent devoir souffrir d'une crise d'approvisionnement en ce métal. Bien au contraire, les capacités minières des Etats-Unis ont connu en
au contraire, les capacités minières des Etats-Unis ont connu en 1982 un taux d'utilisation particulièrement catastrophique. La logique des substitutions à ce métal a donc été d'ordre exclusivement technique ou économique, sans aucune considération d'ordre stratégique. Si le cuivre a bien « tenu » dans les bobinages des moteurs et dans la construction (on utilise toujours des gouttières de cuivre aux Etats-Unis, et de nombreux éléments décoratifs faits de ce même métal ; par contre, le plastique remplace progressivement le cuivre, comme en Europe, dans les tuyauteries), son utilisation a fortement baissé dans l'automobile, avec la diminution de la taille
fortement baissé dans l'automobile, avec la diminution de la taille des radiateurs, et dans les appareillages électroniques. Dans ce dernier cas, on assiste à la fois à une réduction de taille et à la généralisation des circuits imprimés. Mais la grande menace provient sans doute de l'évolution des télécommunications : les transmissions par satellites et l'emploi des fibres optiques semblent devoir porter un sérieux coup à la construction des grands câbles transo-océaniques en cuivre et même, à terme, aux lignes téléphoniques classiques. L'aluminium connaît des évolutions beaucoup plus contrastées, selon les secteurs. Il a détrôné le cuivre pour les transports
les secteurs. Il a détrôné le cuivre pour les transports d'électricité sous haute tension. Son usage croît lentement, mais de façon continue, dans l'automobile. Il connaît par ailleurs une utilisation de plus en plus large dans l'emballage, notamment pour les boîtes de bière et de boissons gazeuses, comme on l'a vu précédemment. Mais on a pu voir, à ce sujet, combien un tel domaine était sensible aux retournements de tendance rapides, en fonction des évolutions technologiques. Dans le bâtiment, par contre (la maison américaine fait largement appel à l'aluminium pour les portes et les fenêtres), il se voit attaqué sérieusement
les portes et les fenêtres), il se voit attaqué sérieusement par les plastiques. Pour le plomb, rien n'a pu le remplacer dans les batteries automobiles, même si celles-ci se sont faites plus petites et moins gourmandes en métal. Dans l'essence, il est progressivement supprimé comme additif, sans réelle substitution. Par contre, il est progressivement remplacé par le titane ou le fer, sous forme d'oxydes, dans les peintures, avant tout pour des raisons de sécurité ; par l'acier dans les munitions et par le plastique dans les tuyauteries des maisons. 3.2. Une approche par procédés 3.2.1. La solidification rapide des métaux