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d'étain est donc ici de trois à cinq fois plus faible qu'avec le fer-blanc à étamage minimal de 2,8 g/m². Une couche de passivation renforcée est ensuite réalisée sur le revêtement d'étain. Un vernissage sur les deux faces est nécessaire. L'« Usibox » est donc également un matériau plein d'avenir. D'ores et déjà, les calculs montrent que ces matériaux de substitution de la nouvelle génération, utilisés par exemple à raison de 80 % des besoins, ce qui n'est pas encore le cas, conduiraient à une économie « actuelle » de devises de l'ordre de cent millions de francs annuellement, par rapport au fer-blanc. Confortée par la multiplication des résultats favorables des expérimentations — étendues par prudence (légitime) à la gamme très large des produits conditionnés, dont il faut, dans le temps, assurer la totale intégrité — leur utilisation tend à se généraliser rapidement. B) Aluminium C'est le second métal, chronologiquement et par ordre d'importance, à la base des fabrications d'emballages métalliques. N'étant pas, à l'instar du fer-blanc, tributaire des importations, l'aluminium n'a pas été confronté aux mêmes problèmes. C'est essentiellement dans le domaine du coût de l'énergie qu'ont porté les efforts des producteurs. Ne comportant pas d'aspect spécifiquement propre aux emballages métalliques, il n'y a pas lieu de s'y attarder. Sauf à mentionner l'utilisation d'alliages à l'état écroulé, présentant de hautes caractéristiques mécaniques. Là encore, ces innovations ont permis une réduction de l'épaisseur des boîtes, entraînant une économie de métal d'au moins 10 %. Le principal producteur français annonce d'ailleurs une économie globale annuelle d'aluminium équivalent à la fabrication de 20 millions de boîtes. II. LES TECHNOLOGIES DE FABRICATION Les performances imposées aux boîtes métalliques, notamment celles destinées à la conserve alimentaire, résultent des conditions mêmes de stérilisation : résistance à la surpression interne dans les étuves, résistance à la dépression interne lors du refroidissement. Pour la quasi-totalité des boîtes, résistance à la charge axiale qui s'exerce sur elles, lors du stockage sur plusieurs hauteurs de palettes. En dépit de la diminution de l'épaisseur et du poids des boîtes, dont quelques exemples significatifs ont été donnés, ces performances ont pu
emballages métalliques, il n'y a pas lieu de s'y attarder. Sauf à mentionner l'utilisation d'alliages à l'état écroulé, présentant de hautes caractéristiques mécaniques. Là encore, ces innovations ont permis une réduction de l'épaisseur des boîtes, entraînant une économie de métal d'au moins 10 %. Le principal producteur français annonce d'ailleurs une économie globale annuelle d'aluminium équivalent à la fabrication de 20 millions de boîtes. II. LES TECHNOLOGIES DE FABRICATION Les performances imposées aux boîtes métalliques, notamment celles destinées à la conserve alimentaire, résultent des conditions mêmes de stérilisation : résistance à la surpression interne dans les étuves, résistance à la dépression interne lors du refroidissement. Pour la quasi-totalité des boîtes, résistance à la charge axiale qui s'exerce sur elles, lors du stockage sur plusieurs hauteurs de palettes. En dépit de la diminution de l'épaisseur et du poids des boîtes, dont quelques exemples significatifs ont été donnés, ces performances ont pu être maintenues et améliorées grâce à un certain nombre de procédés : — recours à des aciers de base (ou des alliages d'aluminium) plus raides ; — moulurage des boîtes rondes (ou « panneautage » de bidons à section rectangulaire) qui accroît la résistance à la pression interne ; — étude et mise au point de nouveaux profils de fonds, leur conférant souplesse et résistance aux pressions internes ; — généralisation d'outils à têtes multiples ; — en ce qui concerne les boîtes embouties et les fonds ronds, adoption du cisaillage indenté (si possible, à partir de la bobine de métal) et emboutissage en quinconce, réduisant considérablement les pertes de métal : de 25 % dans le cisaillage « droit » à 14 % dans le cisaillage indenté sur bobines ; — étude et adoption de systèmes de manutention « fluide » des boîtes vides ou pleines, de manière à éviter les chocs aux cadences vertigineuses atteintes par certaines lignes. Dans cette course à l'économie de matières premières, la question doit être franchement posée de savoir si nous n'atteindrons pas rapidement les limites acceptables de résistance mécanique de nos emballages, à moins que... la métallurgie ne nous étonne une fois
étude et mise au point de nouveaux profils de fonds, leur conférant souplesse et résistance aux pressions internes ; — généralisation d'outils à têtes multiples ; — en ce qui concerne les boîtes embouties et les fonds ronds, adoption du cisaillage indenté (si possible, à partir de la bobine de métal) et emboutissage en quinconce, réduisant considérablement les pertes de métal : de 25 % dans le cisaillage « droit » à 14 % dans le cisaillage indenté sur bobines ; — étude et adoption de systèmes de manutention « fluide » des boîtes vides ou pleines, de manière à éviter les chocs aux cadences vertigineuses atteintes par certaines lignes. Dans cette course à l'économie de matières premières, la question doit être franchement posée de savoir si nous n'atteindrons pas rapidement les limites acceptables de résistance mécanique de nos emballages, à moins que... la métallurgie ne nous étonne une fois de plus... III. LE RECYCLAGE Ce panorama des économies de matières premières ne serait pas complet si l'on n'évoquait pas l'état actuel et prévisible du recyclage des métaux. • Fer-blanc Les déchets de fabrication des producteurs de métal et d'emballages sont soigneusement collectés par les usines et systématiquement dirigés sur les acieries ; ils représentent annuellement 100 000 t. La présence de ferrailles d'emballages en fer-blanc était, naguère encore, jugée indésirable dans les acieries de conversion qui assurent 80 % de la production française d'acier brut. Toutefois, 60 000 à 80 000 t sont récupérées chaque année. Des essais récents pratiqués par les deux groupes sidérurgiques français ont démontré que cette prévention n'avait plus cours. Sacilor et Usinor se sont donc publiquement engagés à absorber annuellement 250 000 t de déchets d'emballages métalliques, triés par voie magnétique dans les usines d'incinération (procédé beaucoup plus simple et économique que toute collecte sélective, à laquelle sont condamnés les autres emballages). Cette reprise serait assurée à un prix correspondant à la réelle valeur d'usage, de manière à faciliter le choix de l'Administration et des municipalités en matière de politique — et de financement — du traitement des ordures ménagères. • Aluminium Le recyclage
les acieries ; ils représentent annuellement 100 000 t. La présence de ferrailles d'emballages en fer-blanc était, naguère encore, jugée indésirable dans les acieries de conversion qui assurent 80 % de la production française d'acier brut. Toutefois, 60 000 à 80 000 t sont récupérées chaque année. Des essais récents pratiqués par les deux groupes sidérurgiques français ont démontré que cette prévention n'avait plus cours. Sacilor et Usinor se sont donc publiquement engagés à absorber annuellement 250 000 t de déchets d'emballages métalliques, triés par voie magnétique dans les usines d'incinération (procédé beaucoup plus simple et économique que toute collecte sélective, à laquelle sont condamnés les autres emballages). Cette reprise serait assurée à un prix correspondant à la réelle valeur d'usage, de manière à faciliter le choix de l'Administration et des municipalités en matière de politique — et de financement — du traitement des ordures ménagères. • Aluminium Le recyclage de l'aluminium se pose en des termes différents, car la valeur de reprise du métal est fort importante. A titre d'exemple, mille boîtes aluminium de 225 cm3, pesant chacune 15 g, ont une valeur de reprise métal de 120 F. La raison de cette valeur résiduelle du déchet est simple : il ne faut que 5 % de l'énergie initiale pour obtenir de l'aluminium à partir de déchets... Aux Etats-Unis, où le marché des boîtes boissons représente des quantités extraordinaires — surtout par rapport à la situation en France —, 600 000 t d'aluminium ont été recyclées. Un vaste circuit est désormais en place, utilisant à la base des appareils de reprise automatiques sophistiqués qui rendent 1,5 cent par boîte, à la seule condition qu'elle soit... en aluminium. Cependant, en 1983, 165 000 t d'aluminium ont été produites dans notre pays à partir de déchets et de débris recyclés, soit 31 % de la production nationale de ce métal. Des circuits de récupération des boîtes aluminium — basés sur le système américain et suédois — pourraient être mis en place, à titre expérimental, dès cette année. Telles sont les principales évolutions actuelles de l'industrie des emballages métalliques. Il est remarquable
: il ne faut que 5 % de l'énergie initiale pour obtenir de l'aluminium à partir de déchets... Aux Etats-Unis, où le marché des boîtes boissons représente des quantités extraordinaires — surtout par rapport à la situation en France —, 600 000 t d'aluminium ont été recyclées. Un vaste circuit est désormais en place, utilisant à la base des appareils de reprise automatiques sophistiqués qui rendent 1,5 cent par boîte, à la seule condition qu'elle soit... en aluminium. Cependant, en 1983, 165 000 t d'aluminium ont été produites dans notre pays à partir de déchets et de débris recyclés, soit 31 % de la production nationale de ce métal. Des circuits de récupération des boîtes aluminium — basés sur le système américain et suédois — pourraient être mis en place, à titre expérimental, dès cette année. Telles sont les principales évolutions actuelles de l'industrie des emballages métalliques. Il est remarquable que de telles mutations s'opèrent en coopération constante, tant avec les puissantes industries situées en amont de nos fabrications (sidérurgie, production d'aluminium, industrie des peintures et vernis) qu'avec nos principaux utilisateurs avec lesquels nos relations s'inscrivent dans un certain nombre d'interprofessions. A titre d'exemple, l'interprofession de la conserve appertisée regroupe producteurs de légumes, conserveurs, fabricants d'emballages métalliques et sidérurgie. Chacun est donc parfaitement conscient des impératifs et des vicissitudes liés aux activités de ses différents partenaires. Les domaines privilégiés de l'action commune ne se limitent pas à la solution des problèmes techniques... Ils s'étendent à des actions soutenues de promotion du produit final. Productivité nous plaçant dans d'excellentes conditions de concurrence vis-à-vis de nos compétiteurs étrangers, sécurité du consommateur, au niveau de sa santé et de l'aptitude à l'emploi des emballages, préoccupations et actions respectant les tendances actuelles de protection de l'environnement, s'ajoutent aux économies de matières premières (que nous avons brièvement évoquées) et d'énergie. Dans notre esprit, une telle tâche n'est, bien entendu, jamais achevée, les mutations déjà réalisées — et qu'il est bon de faire savoir lorsque l'on sait faire — sont la promesse de nos évolutions futures. BIBLIOGRAPHIE G. THOMAS — Evolution technologique dans le domaine des
producteurs de légumes, conserveurs, fabricants d'emballages métalliques et sidérurgie. Chacun est donc parfaitement conscient des impératifs et des vicissitudes liés aux activités de ses différents partenaires. Les domaines privilégiés de l'action commune ne se limitent pas à la solution des problèmes techniques... Ils s'étendent à des actions soutenues de promotion du produit final. Productivité nous plaçant dans d'excellentes conditions de concurrence vis-à-vis de nos compétiteurs étrangers, sécurité du consommateur, au niveau de sa santé et de l'aptitude à l'emploi des emballages, préoccupations et actions respectant les tendances actuelles de protection de l'environnement, s'ajoutent aux économies de matières premières (que nous avons brièvement évoquées) et d'énergie. Dans notre esprit, une telle tâche n'est, bien entendu, jamais achevée, les mutations déjà réalisées — et qu'il est bon de faire savoir lorsque l'on sait faire — sont la promesse de nos évolutions futures. BIBLIOGRAPHIE G. THOMAS — Evolution technologique dans le domaine des boîtes en fer-blanc (Industries alimentaires et agricoles Octobre 1982). * 1983 : USA, plus de 55 milliards de boîtes « boissons », France, moins de 300 millions... ** 1983. Substitution des métaux par les céramiques par François THEVENOT *, responsable de l'équipe « céramiques spéciales et traitements de surface », Ecole nationale supérieure des mines de Saint-Etienne Gilbert FANTOZZI *, responsable de l'équipe « céramiques et composites », groupe d'étude de métallurgie physique et de physique des matériaux (GEMPPM), laboratoire associé au CNRS 341 INSA, Lyon Martine LEJEUNE **, adjointe au responsable de l'équipe « céramiques pour l'électronique », Ecole nationale supérieure de céramique industrielle, Grenoble Cette substitution a pour objet de pallier d'éventuelles ruptures d'approvisionnement ou de remplacer certains métaux ou alliages par des matériaux plus performants. Les auteurs donnent des exemples de substitution de matières premières et d'alliages par des céramiques : outils de coupe, machines thermiques, blindages, abrasifs, prothèses... Puis ils décrivent les nombreux emplois des composites structuraux, dont l'impulsion a été donnée par l'industrie aérospatiale. Une dernière partie expose le remplacement des métaux nobles par des métaux communs dans les condensateurs céramiques multicouches. Certaines substitutions ont atteint le stade industriel, d'autres sont au stade de recherche-développement
Ecole nationale supérieure des mines de Saint-Etienne Gilbert FANTOZZI *, responsable de l'équipe « céramiques et composites », groupe d'étude de métallurgie physique et de physique des matériaux (GEMPPM), laboratoire associé au CNRS 341 INSA, Lyon Martine LEJEUNE **, adjointe au responsable de l'équipe « céramiques pour l'électronique », Ecole nationale supérieure de céramique industrielle, Grenoble Cette substitution a pour objet de pallier d'éventuelles ruptures d'approvisionnement ou de remplacer certains métaux ou alliages par des matériaux plus performants. Les auteurs donnent des exemples de substitution de matières premières et d'alliages par des céramiques : outils de coupe, machines thermiques, blindages, abrasifs, prothèses... Puis ils décrivent les nombreux emplois des composites structuraux, dont l'impulsion a été donnée par l'industrie aérospatiale. Une dernière partie expose le remplacement des métaux nobles par des métaux communs dans les condensateurs céramiques multicouches. Certaines substitutions ont atteint le stade industriel, d'autres sont au stade de recherche-développement et il reste encore de nombreux domaines à explorer. INTRODUCTION L'objectif général est de substituer aux métaux et alliages généralement lourds, chers, stratégiques, souvent importés... des céramiques beaucoup plus légères, économiques, et dont l'approvisionnement national ne présente pas de difficulté. Ces recherches de substitution connaissent des résultats et des intérêts divers : nous nous proposons d'examiner quelques cas, jugés les plus significatifs. Nous avons regroupé arbitrairement notre exposé sur quatre thèmes : 1. Substitution de matières premières dans les outils de coupe, filières, matrices... 2. Substitution d'alliages métalliques par des céramiques. 3. Composites structuraux. 4. Condensateurs céramiques multicouches. 1. SUBSTITUTION DE MATIERES PREMIERES DANS LES OUTILS DE COUPE, FILIERES, MATRICES... 1.1. Première voie : Substitution du cobalt dans les carbures cémentés WC-Co Bien qu'à la limite de notre propos, ce cas revêt un grand intérêt économique. Dans les carbures cémentés WC-Co, le cobalt est choisi comme principal liant pour les raisons suivantes [1] : * Associés au sein du CRRACS (Centre de recherche Rhône-Alpes de céramiques spéciales), rédacteurs des chapitres 1, 2 et 3. ** Rédactrice du chapitre 4. 1. Les chiffres entre crochets se réfèrent à la bibliographie en fin d'article. Le cobalt a les meilleures caractéristiques de pulvérisation
divers : nous nous proposons d'examiner quelques cas, jugés les plus significatifs. Nous avons regroupé arbitrairement notre exposé sur quatre thèmes : 1. Substitution de matières premières dans les outils de coupe, filières, matrices... 2. Substitution d'alliages métalliques par des céramiques. 3. Composites structuraux. 4. Condensateurs céramiques multicouches. 1. SUBSTITUTION DE MATIERES PREMIERES DANS LES OUTILS DE COUPE, FILIERES, MATRICES... 1.1. Première voie : Substitution du cobalt dans les carbures cémentés WC-Co Bien qu'à la limite de notre propos, ce cas revêt un grand intérêt économique. Dans les carbures cémentés WC-Co, le cobalt est choisi comme principal liant pour les raisons suivantes [1] : * Associés au sein du CRRACS (Centre de recherche Rhône-Alpes de céramiques spéciales), rédacteurs des chapitres 1, 2 et 3. ** Rédactrice du chapitre 4. 1. Les chiffres entre crochets se réfèrent à la bibliographie en fin d'article. Le cobalt a les meilleures caractéristiques de pulvérisation durant le mélange des poudres ; le cobalt a une plus grande solubilité avec le carbure WC (supérieure à celle du nickel) aux températures de frittage ; le cobalt présente une mouillabilité supérieure. Pour toutes ces raisons, le liant cobalt a été choisi dans les carbures cémentés industriels. Mais ces dernières années, le cobalt est devenu un matériau stratégique et cher et il devient donc intéressant de le substituer par des liants équivalents (éléments du groupe VIII : Fe et Ni). De nombreuses études ont été effectuées ces dix dernières années dans ce domaine. Ces études montrent qu'il est possible d'obtenir des cermets WC (Fe-Co-Ni) ayant des propriétés équivalentes, voire supérieures à celles des cermets WC-Co. Thummler et al. ont montré que les propriétés des cermets WC (Fe-Co-Ni) peuvent varier dans un large domaine, essentiellement par variation des propriétés de la phase liante. Avec une phase liante martensitique, on obtient des propriétés mécaniques supérieures ; la martensite Fe-Co-Ni présentant une combinaison optimale de haute résistance et de ductilité. Avec une phase liante austénitique, les propriétés mécaniques sont en général inférieures mais la résistance à l'usure est assez remarquable et la ténacité est élevée, cela étant dû à la grande ductilité
dernières années, le cobalt est devenu un matériau stratégique et cher et il devient donc intéressant de le substituer par des liants équivalents (éléments du groupe VIII : Fe et Ni). De nombreuses études ont été effectuées ces dix dernières années dans ce domaine. Ces études montrent qu'il est possible d'obtenir des cermets WC (Fe-Co-Ni) ayant des propriétés équivalentes, voire supérieures à celles des cermets WC-Co. Thummler et al. ont montré que les propriétés des cermets WC (Fe-Co-Ni) peuvent varier dans un large domaine, essentiellement par variation des propriétés de la phase liante. Avec une phase liante martensitique, on obtient des propriétés mécaniques supérieures ; la martensite Fe-Co-Ni présentant une combinaison optimale de haute résistance et de ductilité. Avec une phase liante austénitique, les propriétés mécaniques sont en général inférieures mais la résistance à l'usure est assez remarquable et la ténacité est élevée, cela étant dû à la grande ductilité de la phase liante. Propriétés mécaniques de cermets WC(Fe-Co-Ni) 20 % d'après Thummler et al. [2] Phase liante Dureté Résistance Résistance Ténacité Nature à la flexion à l'usure Kic % Fe % Co % Ni MPa km cm-3 MPa Vm Martensite 72,1 10,7 17,2 1180 2970 4,9 18,2 65,0 20,0 15,0 1190 3650 4,5 17,7 55,0 30,0 15,0 1100 3510 6,0 17,8 Austénite 25,0 50,0 25,0 840 3180 2,7 15,1 50,0 25,0 25,0 850 3420 5 20,0 25,0 25,0 50,0 850 3060 5,7 19,1 WC-Co 0 100 0 1000 3380 2,2 16,8 La teneur en carbone des carbures cémentés WC-(Fe-Co-Ni) doit être soigneusement contrôlée afin d'obtenir les propriétés optimales. En effet, la variation de la teneur en carbone provoque la variation de la proportion de martensite et d'austénite de la phase liante ainsi que leur résistance. De plus, la teneur en carbone doit excéder la composition stœchiométrique pour éviter la formation de la phase fragile. Prakash indique qu'il est nécessaire de rajouter 0,6 à 1 % poids de carbone par rapport à la phase liante pour obtenir les propriétés optimales. Il faut remarquer également que les cermets WC-(Fe-Co-Ni) ont des propriétés à chaud tout à fait comparables à celles des
15,0 1190 3650 4,5 17,7 55,0 30,0 15,0 1100 3510 6,0 17,8 Austénite 25,0 50,0 25,0 840 3180 2,7 15,1 50,0 25,0 25,0 850 3420 5 20,0 25,0 25,0 50,0 850 3060 5,7 19,1 WC-Co 0 100 0 1000 3380 2,2 16,8 La teneur en carbone des carbures cémentés WC-(Fe-Co-Ni) doit être soigneusement contrôlée afin d'obtenir les propriétés optimales. En effet, la variation de la teneur en carbone provoque la variation de la proportion de martensite et d'austénite de la phase liante ainsi que leur résistance. De plus, la teneur en carbone doit excéder la composition stœchiométrique pour éviter la formation de la phase fragile. Prakash indique qu'il est nécessaire de rajouter 0,6 à 1 % poids de carbone par rapport à la phase liante pour obtenir les propriétés optimales. Il faut remarquer également que les cermets WC-(Fe-Co-Ni) ont des propriétés à chaud tout à fait comparables à celles des WC-Co, les propriétés étant supérieures pour une phase liante riche en fer. Le remplacement du cobalt par une phase liante Fe-Co-Ni riche en fer est donc attractif, non seulement du point de vue économique, mais également du point de vue des propriétés mécaniques. On peut aussi ne substituer que le nickel au cobalt. Il faut noter également une substitution possible du carbure de tungstène par d'autres carbures (TiC, Mo2C, VC, NbC, Cr2C3...) Ces cermets obtenus avec un mélange de phases hexagonales (Mo, W)C ou (Mo, W)(C, N) ou de phase cubique MoC1-x avec les carbures du groupe Va et VIa ont de bonnes caractéristiques mécaniques. Des études complémentaires doivent être menées dans ce domaine. On estime que les céramiques prendront environ 4 % du marché total des plaquettes de coupe. Dans le domaine de la résistance à l'usure des outils et de la chimie de l'usinage des métaux il faut bien noter quatre principes de base qui gouvernent cette résistance et l'interaction métal-outil : la résistance à la diffusion, à l'adhésion, à l'abrasion, et les résistances électrochimique et chimique (ex. le carborundum réagit avec l'acier suivant SiC + 4Fe -x FeSi + Fe3C). Exemple 1 : sialons [6-9] Les sialons