CHAPITRE III

Combustion de l’aluminium

On sait depuis longtemps que laluminium divisé peut brûler à V’air. Matignon (39) indique la nécessité d'employer le chalumeau oxhydrique, pour obtenir la combustion vive d’un lingot d'aluminium; il n’ajoute pas d’ailleurs que la flamme persistait lorsqu'on cessait de chauffer, soit en d’autres termes si la combustion s’entretenait d’elle-même. À priori rien n’est moins certain : l’alumine n’est pas meilleure conductrice de la chaleur que la magnésie, mais laluminium est beaucoup moins volatil que le magnésium; il bout 1.100° environ plus haut (3), et une extrapolation de la thécrie de Pilling et Bedworth donnait 1.800° pour la température à laquelle l’oxyde cessait d’être protecteur (10) et page 86).

Nous avons tout d’abord étudié le comportement de laluminium entre 600 et 800° vis-à-vis de l’air. Evans (51) a démontré l'existence d'une pellicule qu’il dit invisible, formée à température ordinaire; elle correspond vraisemblablement à celle que l’on voit à la figure 10 pour le magnésium. À une température plus élevée (600°), Pilling et Bedworth (44) constatent l'existence de deux stades distincts d’oxydation : un stade « formatif », de 60 à 80 heures au cours duquel une couche d'oxyde recouvre la surface, en suivant la loi du carré des temps; puis un stade de passivité, où l’oxydation est insensible, et n’atteint pas le dixième de milligramme en 300 heures. Par analogie avec ce que nous avons observé, dans l’action simultanée de l'oxygène et des halogènes (page 95), nous supposons qu’il se forme sur le métal solide une couche différenciée, analogue à celle qui se produit sur le métal liquide, et qui ne permet plus d'oxydation appréciable sitôt qu’elle présente un écran continu. Nous n’avons pu reprendre ces expériences au-dessus du point de fusion, à cause du comportement très spécial de l'aluminium à l’état liquide sous de faibles épaisseurs. Seligman et Williams (22) ont remarqué le rassemblement du métal en perles isolées dans la couche d’oxyde, lorsqu'on chauffe une feuille

mince d'aluminium à 800° dans un moufle. Nous avons très bien vérifié cette particularité dès 700°, sur une feuille très fine de 0,05 mm. d'épaisseur. En chauffant sous le microscope un petit fragment plus épais (0,5 X 0,2 x 1 mm.), incliné d’au moins 45° sur le plan horizontal, on voit toujours après la fusion le métal couler progressivement vers le bas et s’y rassembler en une gouttelette. Il laisse une gaine transparente, insoluble dans les acides froids, biréfringente, mais sans directions d'extinction locales définies, ce qui permet de supposer la présence de nombreux cristaux, superposés, et répartis dans toutes les directions. On voit qu’il est bien difficile dans ces conditions de définir une surface constante, lorsqu'on oxyde laluminium au-dessus de son point de fusion. Kohn-Abrest (36), que Pilling et Bedworth ne citent pas, a trouvé entre 600 et 620° un maximum très net de fixation de l'air sur laluminium en poudre, chauffé 10 minutes en tube ouvert. Il a bien entendu vérifié que l’azote n’est pas sensiblement absorbé. Il est fort possible que la pellicule passivante se forme plus vite, Ilorsqu’on approche du point de fusion.

Pionchon (45), soumettant l’alumirium à l’action du chalumeau oxhydrique, obtient une matière d’aspect gris noirâtre, où la proportion d'aluminium est supérieure à celle que renfermerait l’alumine. I lui donne par analyse la formule Al60?, soit AO, 2 AFRO. Ce serait « soit un mélange, soit une combinaison ». [1 s’agit probablement d’un mélange intime de métal et d'oxyde, semblable à celui que donne le magnésium.

Après de nombreux déboires, nous avons pu réaliser la combustion de l’aluminium, s’entretenant hors de la flamme. La matière première utilisée était l’aluminium ordinaire laminé, contenant un peu de silicium, très peu de fer et de cuivre. de 0,2 mm. d'épaisseur. L’alumirium très pur se montrait trop bon conducteur, la feuille trop épaisse s’enflammait mal, et la feuille trop mince ne résistait pas au vent du chalumeau.

Une bandelette de 3 à 5 millimètres de largeur, chauffée dans la flamme de l’exygène et du gaz d'éclairage, brülait assez bien; en la retirant dès le commencement de la combustion, il était possible de remarquer un point incandescent, restant quelques secondes au blanc éblouissant, en dégageant un mince filet de fumée. Après refroidissement, il restait un granule blanc, friable, sans aucune inclusion métallique, très différent de ceux que l’on obtient dans la combustion incomplète du magnésium. Pour conserver l’état de division de la matière. représenté par l'épaisseur de la bandelette, tout en augmentant la surface, nous avons pris une bande de 20 à 30 milli-

mètres de large, repliée cinq à huit fois sur elle-même. En l’introduisant dans la flamme du chalumeau, il se formait un globule qui, le plus souvent, se détachait spontanément. Lorsqu’on pouvait le retirer à temps, on remarquait à son extrémité inférieure plusieurs excroissances incandescentes, pouvant atteindre jusqu’à 2 millimètres de diamètre, dégageant une fumée blanche. Elles bourgeonnaient en émettant des prolongements de plus en plus petits et finalement s’éteignaient. Le phénomène pouvait durer hors la flamme de quelques secondes à une demiminute. La figure 31 montre la combustion et la figure 32 le produit final, dont l’aspect est le même à froid qu’à chaud. La fumée blanche, recueillie sur un verre de montre, est identifiée

Fic. 31. Fra. 32.

Combustion de l'aluminium (X7). Produits de combustion de l’aluminium (XS8).

à l’alumine. En écrasant le globule, on constate qu’il est formé d’alumine dont certaines zones mélangées d'aluminium sont grisâtres, et qu’il renferme quelques granules de métal intact. L’allure du phénomène est hors de proportion avec la très faible quantité de silicium contenu dans la matière première utilisée; on ne peut assimiler cette expérience à celle de Sainte-Claire Deville, qui chauffait l’aluminium au chalumeau avec du verre pulvérisé, pour en obtenir la combustion (50). Signalons tout de suite que nous n'avons pu faire brûler l’aluminium compact hors la flamme, même en amorçant avec le magnésium (voir plus loin, page 64). Nous verrons (page 86) que ce phénomène s'accorde parfaitement avec les considérations théoriques sur l’inflammation des métaux volatils. L’extinction spontanée, et la pauvreté du granule en métal, montrent que l'entretien de

la surface réagissante en aluminium liquide exige une forte température de la portion intermédiaire; au-dessous de cette température, le métal se rétracte, interrompant la communication. Ceci peut être attribué au fait que le métal ne « mouille » son oxyde qu’au-dessus d’une certaine température, ou bien qu’il doit avoir une tension superficielle inférieure à une certaine valeur, pour que la protubérance reste en équilibre avec le métal. La zone extérieure n’a pas d'influence prépondérante, car le phénomène ne dure en moyenne pas plus longtemps dans une atmosphère d'oxygène.

Combustion du zinc — (à) ————

Le métal était chauffé (60 gr. en moyenne par opération) dans un four à résistance dont la température montait de 5 à 6° par minute; de temps en temps, la surface du liquide était nettoyée au moyen d’une baguette de terre réfractaire.

Dès 600°, l'agitation peut produire une flamme à la surface, flamme qui cesse avec cette agitation, tant que l’on n’a pas atteint 800°. A partir de cette température, on voit dans le four un léger brouillard permanent : c’est l’oxyde de zinc, provenant de la vapeur métallique émise au travers de la couche d’oxyde. Dans certaines expériences, une surface bien propre, laissée en repos après 800", peut rester brillante par endroits jusqu’à 900° et l’inflammation survient brusquement. En général, à partir de 830 + 10°, la surface devient brusquement incandescente par agitation, et à partir de 860° on voit, très irrégulièrement, des flocons blancs très légers se détacher de la surface; ils sont l'indice d’un dégagement de vapeur plus fort ou d’un affaiblissement local de la couche d’oxyde.

La combustion du zinc ne s’entretient pas d’elle-même à rair libre et s’arrête vite si l’on retire le creuset du four. La surface métallique résultante ne retient pas d'oxyde en quantité appréciable, et ne présente que les irrégularités communes à toutes les surfaces métalliques solidifiées. Le métal liquide est totalement indépendant de l’oxyde qui flotte à la surface. L’observation microscopique n’a donné aucune indication supplémentaire. On voit qu’il n’est pas possible d'imaginer une analogie entre les phénomènes d’oxydation du zine pur, et ceux qui sont particuliers au magnésium.

Essais d’amorçage par le magnesium — des réactions d’oxydation —

L'oxyde poreux produit dans la combustion du magnésium modifie d’une façon très importante les échanges therntiques : comme nous l’avons vu, il permet un afflux régulier et suffisant du métal vers le lieu de la réaction, et empêche que la chaleut dégagée par loxydalion se répartisse régulièrement dans toute Ja masse. Si les phénomènes particuliers au magnésium se bornent à cette modification du bilan thermique, on peut penser qu'un fragment de magnésium, projeté sur la surface d’un métal fondu entièrement miscible au magnésium, s’imprégnera de ce métal à mesure que le magnésium s’évaporera; si ce métal est à la fois combustible et volatil, il brülera jusqu’à épuisement. Nous avons choisi comme sujet d'expérience le zinc, qui brûle très facilement dès que sa tension de vapeur est suffisamment forte, et qui est entièrement miscible au magnésium. 60 gr. de zinc étaient fondus dans un creuset de porcelaine; la température en était mesurée au moment de l'essai. Celui-ci consistait à projeter un petit copeau de magnésium d’au plus 5 milligrammes sur la surface bien propre; il était détruit à chaque fois et l’expérience, même répétée, ne pouvait pas affecter sensiblement la composition. Entre 650 et 800”, le magnésium fond instäintanément, et se développe en une excroissance globuleuse plissée. Celle-ci passe au rouge vif, puis au blanc, avec produclion de fumée; la réaction s’arrête d’elle-même au bout d’une dizaine de secondes, et le champignon d’oxyde retiré est imprégné de zinc. On voit que la nature de la surface externe rentre en ligne de compte, et que la présence du magnésium semble y être nécessaire. Si l’on essaie de faire la même expérience à une température plus forte, les résultats sont encore négatifs. Au-dessus de 800°, le magnésium s’enflamme instantanément, sans laisser de formation complexe; il ne reste qu’une petite masse d'oxyde, de volume et de forme voisins de ceux du métal initial; si on l’approche d’une vingtaine de degrés, la température normale d’inflammation, le zinc s’enflamme mais s'éteint presque aussitôt : le magnésium n’a eu qu’un effet thermique purement local. Si vers 850° on ajoute, non plus le magnésium, mais les protubérances complexes imbibées de zinc, obtenues vers 700°, on voit le métal s’enflammer et brûler par l’intermédiaire de celles-ci. Mais la réaction s'arrête bientôt, car l’oxyde

de zinc formé empâte les protubérances dans un dépôt très iéger, que n’imbibe pas le zinc; la zone de réaction s'éloigne rapidement de la surface libre du métal.

Des essais d’amorçage sur un alliage de 75 parties d’aluminium avec 25 parties de zinc, émettant des flammes vers 1.050° seulement, n’ont rien donné de plus que ceux relatifs au Zinc.

Nous avons tenté également d’amorcer par le magnésium Paluminium chauffé au chalumeau oxhydrique. Nous n’avons eu aucun résultat intéressant, et les projections très vives de métal fondu nous ont détourné de poursuivre ces expériences.

On voit donc que les protubérances agissent, non seulement par l'influence de l’oxyde sur l’échauffement de la surface libre réagissante, mais aussi par l’aptitude de cette surface à se modifier, et à traverser l’écran d’oxyde que la réaction interpose continuellement entre elle et la zone gazeuse de réaction.

- Influence des additions de magnésium à d'autres métaux

On vient de voir que l’activité des protubérances d’oxydation est conditionnée par la nature de ia surface du métal liquide. Nous avons recherché dans quelles proportions, et à partir de quelles températures, le magnésium pouvait changer le mode habituel d’oxydation des métaux liquides.

Influence du zinc

Il suffit de faibles quantités de magnésium, par exempie 0,5 %, pour conférer une tension superficielle très élevée à la surface oxydée. Pour cette même teneur, on voit apparaître au rouge, sur la suface fondue, de légères protubérances semblables à celles que le magnésium donne dans l'hydrogène; elles ne donnent lieu à aucun échauffement local et ne se ramifient pas. L’alliage compact ne s’enflamme pas à 850°. Pour une teneur de 1 %, il apparaît au rouge sombre quelques protubérances, qui prolifèrent légèrement. Vers 650°, l’alliage peut s’enflammer brusquement en surface. 2

Lorsque la teneur en magnésium dépasse 5 %, la surface se plisse brusquement vers 500 à 600° et même dès la fusion si elle dépasse 25 %. Cette surface s’échauffe rapidement et il s'y développe des excroissances qui atteignent rapidement le rouge blanc; l’oxyde formé a bientôt fait de les empâter comme on voit sur la figure 33, et ralentit considérablement l'oxydation.

Jus HO

Produits de combustion du zinc contenant 0,5 % de Mg. (X 7).

Nous avons essayé d'appliquer aux alliages riches en zinc l’artifice qui nous a permis d’enflammer l'aluminium (page 60). Une petite quantité, 0,5 g. par exemple, est fondue au chalumeau sur une plaque métallique bien plane, et aplatie brusquement par une autre plaque. On découpe dans la couche mince solidifiée une feuille qu’on roule sur elle-même. L’alliage à 0,5 % de magnésium brûle ainsi hors la flamme en produisant de fines protubérances avant de s’éteindre par empâtement (fig. 33). Les alliages plus riches brûlent avec des projections brutales.

Influence sur l’aluminium

Il est beaucoup moins sensible que le zinc : il faut qu’il contienne à % au moins de magnésium pour présenter au rouge sombre quelques accidents superficiels, et 10 % pour s’enflammer spontanément dans l’air vers 760°. Quand la teneur en magnésium est inférieure à 60 %, l'oxydation peut être relativement lente et les alliages chauffés très progressivement peuvent être refondus à Pair sans protection. En maintenant un alliage à 25 % de magnésium pendant un quart d’heure au contact de l’air au rouge sombre, la surface s’est très lentement boursouflée et plissée, sans échauffement notable; au bout d’une demi-heure, le métal occupait plus de 5 fois son volume primiüf; il était entièrement transformé en une masse grumeleuse très complexe. Son poids n'avait augmenté que de 3,6 %. La figure 34 montre l'aspect superficiel, et la figure 35 la coupe

Fi. 34. Fic. 35.

Surface. Coupe.

Oxydation superficielle d'un alliage Al75-Mg25 (X 20).

d'un fragment. En suivant l’évolution, on peut distinguer facilement les surfaces de formation récentes, très brillantes, des

surfaces plus anciennes, qui sont d’autant plus ternies qu’elles sont formées depuis plus longtemps. On. voit très bien les globules augmenter de volume, d’une façon très régulière autour des portions formées d’abord, et parfois même faire saillie en bourrelets autour d’elles. C’est la déformation locale de ces bourrelets qui engendre de nouveaux globules, qui suivent le sort de leurs prédécesseurs (11).

On voit en résumé que l’addition de magnésium à d’autres métaux tels que l’aluminium ou le zine, leur donne la propriété de s’oxyder en formant des surfaces plissées globuleuses, par l'effet de la tension superficielle variable d’une région à une autre. L'examen des produits d’oxydation aux rayons X par la méthode des spectres de poudres n’a pas donné d’autres raies que celles des oxydes et des métaux; jusqu'ici aucun indice ne permet de supposer qu'il se formerait des spinelles ou un zincate. Toutefois il est intéressant de remarquer, dans le cas des alliages magnésium-aluminium riches en magnésium fortement oxydés, que les raies prédominantes sont celles de la magnésie et de l’aluminium. Cette particularité, qui semble indiquer une distillation, vient à l’appui de l’hypothèse d’une combustion par l’intermédiaire de la vapeur métallique.

Influence du magnésium sur le mercure

Pour étudier plus commodément le phénomène, à une température moins élevée, nous avons essayé d'utiliser le mercure. Malheureusement, lorsque la teneur en magnésium devient notable, ces métaux ne sont plus entièrement miscibles sous la pression atmosphérique. Toutefois, nous avons observé quelques phénomènes intéressants. Le magnésium agit à très faible dose, de moins de 1/1000°.

En dissolvant un décigramme de magnésium distillé fibreux dans 200 grammes de mercure distillé, en atmosphère d’hydrogène, on voit le métal devenir visqueux; il noircit, quand on l'expose à l'air et décompose l’eau; même à l’ébullition, il ne réagit ni sur l’oxygène ni sur l’azote, ni sur l'air secs. Mais en posant à la surface une goutte d’eau, même en atmosphère d'hydrogène, on voit se produire un noircissement intense de toute la surface, même si la goutte ne s'étale pas; en agitant, on obtient une poudre noire fort abondante, qui flotte à la surface du liquide. Cette poudre est composée de particules extrèmement fines, non résolubles au microscope; elle ne donne aux rayons X qu’un voile continu au lieu d’un spectre de poudre. Si on la chauffe dans le vide, le mercure distille et laisse un

Eve

résidu blanc en poudre impalpable que l’on peut identifier comme étant de la magnésie. Si l’on traite la poudre par un acide dilué, il se produit un faible dégagement gazeux, et le mercure forme une suspension dont une partie est très stable. Il semble que la portion restant en suspension est formée par les globules pour lesquels le poids du métal équilibre la force ascensionnelle de l'hydrogène occlus à la surface. Etant donné la faible quantité de réactifs à mettre en œuvre et la récupération facile du mercure qui n’a pas été mis en suspension, il serait peut-être possible d'appliquer ces propriétés à la mise en émulsion du mercure en solution neutre. Cette expérience montre très bien que la magnésie et un métal peuvent donner un produit noir ne contenant pas de carbone.

Nous n'avons pu obtenir de modifications superficielles semblables à celles que donnent les autres alliages du magnésium qu’en remplissant une fiole conique au tiers d’une quarantaine de grammes de magnésium pur en petits morceaux, et en ajoutant 100 grammes de mercure; en portant ce dernier à l’ébullition, on voyait se former des boursouflures el des protubérances caractéristiques en certains points de la surface, sans qu’il se produisit d’inflammation. Les alliages avec des métaux peu volaüils et peu oxydables comme le cuivre ou le nickel sont inflammables plus ou moins vivement à partir de leur fusion; ils se comportent extérieurement comme les alliages d'aluminium. avec un noircissement très marqué, qu'il faut attribuer au métal ctranger non oxydé.

Quelques expériences relatives aux alliages de calcium (11) nous ont montré que ce métal pouvait présenter, à l’état d’alliage, des phénomènes analogues. Mais nous n’avons pas opéré avec un métal exempt de magnésium; nous croyons devoir attendre de lavoir fait pour confirmer ces résultats.