RECHERCHES SUR LA FUSIBILITÉ DES ALLIAGES MÉTALLIQUES

Les alliages métalliques ont aujourd’hui une importance considérable au point de vue industriel. Peu de métaux possèdent, à l’état isolé, des propriétés qui leur permettent d’être utilisés dans l’industrie; mais, sous forme d’alliages, la plupart d’entre eux ont reçu de nombreuses applications. Il est en effet possible, en les alliant les uns aux autres, de produire

une série, pour ainsi dire infinie, de métaux nouveaux présentant les qualités de malléabilité, de fusibilité ou d’inaltérabilité qu’exige une application déterminée.

Un certain nombre de travaux intéressants ont été faits sur les alliages; ils sont dus à Mathiessen, Laurie, Lodge, Riche, Roberts-Austen, Le Chatelier et Charpy. Il résulte de l’ensemble de ces recherches que les qualités utiles d’un alliage dépendent directement de sa constitution chimique, c’est-à-dire de la nature et de la proportion, non seulement des métaux constituants, mais encore des combinaisons qu’ils forment ensemble, ainsi que de leurs mélanges isomorphes et de leurs divers états allotropiques.

Parmi les propriétés physiques qui paraissent devoir conduire à des résultats précis sur la constitution chimique des alliages, la fusibilité est une des plus intéressantes ; c’est.elle qui fait l’objet de ce Mémoire.

Dans cette étude, nous nous sommes appuyé sur ce fait que, les alliages ayant une structure cristalline, l’action de la chaleur devra déterminer sur ceux-ci des phénomènes semblables à ceux que l’on observe sur différents mélanges cristallisés : mélanges de sels obtenus par fusion ou encore mélanges d’eau et de sels, c’est-à-dire solutions ordinaires.

C’est un fait bien connu que la dissolution d’une petite quantité de matière étrangère dans un corps solide en abaisse généralement le point de solidification ; il n’y a d’exception que dans le cas de mélanges isomorphes. L’expérience prouve que les métaux se comportent de même : la température de solidification de l’étain s’abaisse par l’addition de petites quantités d’argent ou de cuivre; rarement il y a élévation (addition de l’argent au

Il résulte immédiatement de ce qui précède que les solutions salines, aussi bien que les mélanges salins ou les alliages métalliques, fondus et soumis ensuite au refroidissement, ne se solidifieront pas en totalité à température constante, comme cela arrive pour un corps simple ou un composé défini. La solidification commence à une température déterminée, qui dépend de la composition du mélange, puis ne progresse qu’au fur et à mesure que la température s’abaisse et devient finalement complète à une seconde température également déterminée, mais indépendante de la composition du mélange. Le point de solidification commentîCEntu, qui pour un mélange donné est seul caractéristique, doit être considéré comme son point de fusion ou de solidification ; c’est lui qu’il faut utiliser pour le trace des courbes de fusibilité.

Les courbes de solubilité des sulfates de soude et de magnésie données

par Lœwel, celle du chlorure de calcium due à Roozeboom présentent un certain nombre de points anguleux. M. Le Chatelier a démontré que c’était là une conséquence nécessaire des lois fondamentales de l’énergie et que la courbe complète de solubilité mutuelle de deux corps est composée d’autant de branches distinctes se rencontrant à angle vif qu’il peut, du mélange liquide, se déposer de corps solides à un état chimique différent. Ses expériences lui ont permis d’étendre cette loi aux mélanges salins fondus et il a ainsi établi l’identité des courbes de fusibilité et de solubilité.

L’inspection de la courbe de fusibilité d’un mélange salin permet de conclure à l’existence de combinaisons toutes les fois qu’elle présente un nombre de branches supérieur à deux; si sur l’une de ces branches on observe un maximum, celui-ci correspond à une composition voisine, très souventmême identique, à celle de la combinaison. Une.seule branche correspond au cas d’un mélange isomorphe. Enfin, avec deux branches qui se coupent en un point correspondant à une température inférieure à celles de fusion de chacun des constituants il n’y a plus de combinaisons susceptibles de se former par fusion du mélange salin.

Les analogies que nous avons précédemment signalées entre les mélanges salins fondus et les alliages nous ont conduit à penser qu’il serait intéressant d’entreprendre une étude méthodique de la fusibilité des alliages binaires des métaux les plus courants, cette fusibilité n’étant connue, avant nous, que pour un petit nombre d’alliages (8 ou 9). L’examen de la forme de ces courbes de fusibilité nous a fourni des renseignements utiles sur l’existence ou la non-existence de combinaisons dans les alliages métal-

Dans ces recherches, la mesure des températures de solidification a été effectuée au moyen d’un couple thermo-électrique Le Chatelier, protégé de l’action corrosive des métaux par un petit cylindre de porcelaine bouché à une extrémité et de 5 “"* de diamètre environ. La mesure de cette température, qui est relativement facile dans le cas où le métal qui se dépose le premier est contenu en grande quantité dans l’alliage, devient très délicate lorsque ce métal ne s’y trouve qu’en faible proportion ; le point d’arrêt du réticule sur la règle divisée est très difficile à saisir. Dans ce cas, nous avons déterminé le point d’arrêt en suivant le déplacement du réticule au moyen d’un compteur à secondes et cherchant, sur le tableau qui donne sa vitesse en fonction du temps, quelle est la division du micromètre qui correspond au plus grand intervalle de temps.

La composition des alliages étudiés a été déterminée par pesée directe

toutes les fois qu’il ne s’agissait pas de métaux volatils à la température de l’expérience. Pour les alliages d’un métal facilement volatil avec une forte proportion d’un métal peu fusible, nous avons diminué de différentes manières les pertes par volatilisation qui accompagnent la préparation de l’alliage et nous en avons tenu compte par des pesées ultérieures.

Il ne nous est pas possible de reproduire ici toutes nos déterminations numériques mais nous pensons que les courbes ci-jointes {fig. 2, 3 et 4) donneront une idée des différents cas qui peuvent se présenter dans l’étude de la fusibilité des alliages métalliques, et nous résumerons nos conclusions de la façon suivante.

Les alliages sont des corps cristallisés. Ils peuvent être formés par la simple juxtaposition des métaux constituants; la courbe de fusibilité se compose, dans ce cas, de deux branches, venant se couper au point de fusion de l’alliage eutectique. C’est ce que l’on observe pour les alliages suivants :

Étain-Zinc Antimoine-Plomb

Étain-Bismuth Antimoine-Argent

Étain-Plomb Aluminium-Zino

Le plus souvent ils résultent de la juxtaposition des cristaux de l’un des métaux constituants avec une ou deux combinaisons définies des deux métaux. La courbe de fusibilité se compose de trois ou quatre branches distinctes se coupant à angles vifs en des points qui correspondent à différents alliages eutectiques ; c’est le cas des alliages suivants ;

Étain-Nickel

Étain-Aluminium

Zinc-Antimoine

Aluminium-Argent

Aluminium-Antimoine

Enfin certains alliages seraient constitués par des mélanges isomorphes soit que les métaux considérés soient par eux-mêmes isomorphes Argent-Or Bismuth-Antimoine

soit qu’ils forment des combinaisons isomorphes avec être le cas des alliages

Argent-Étain

Argent-Zinc

Argent-Cadmium

d’eux; tel paraît

Les courbes de fusibilité des alliages constitués par des mélanges iso-

morphes sont représentées par une branche unique si les métaux sont isomorphes par eux-mêmes; elles ont l’allure générale d’une branche unique, mais avec quelques points anguleux, dans le cas contraire.

En ce qui concerne la fusion ou la solidification des alliages, l’inspection des courbes de fusibilité met encore en évidence les résultats généraux

Le plus souvent, l’addition d’une petite quantité d’un métal à un autre plus fusible abaisse le point de fusion de ce dernier. Parmi les alliages étudiés jusqu’à présent il n’y a d’exception que pour les suivants ;

Étain-Anlimoine Bismuth-Anlimoine

Zinc-Argent Cadmium-Argent

Presque toujours le point de fusion d’un alliage est inférieur à celui du moins fusible des deux métaux composants; il n’y a d’exception que pour certains alliages d’or et d’aluminium et pour la plupart de ceux d’antimoine et d’aluminium.

La solidification d’un alliage fondu commence toujours à la même température pour une composition déterminée. En laissant de côté le cas des mélanges isomorphes, il se dépose, pendant la solidification, soit un métal pur, soit une combinaison définie ; ce dépôt amène une variation de la composition de la partie encore liquide et la solidification ne peut continuer que si la température s’abaisse à nouveau et ainsi de suite ; la température ne reste donc pas constante pendant toute la durée de la solidification. De plus, si le corps qui se dépose a une densité notablement différente de celle du liquide restant, il gagne soit le fond, soit la partie supérieure du creuset et l’on aura, après refroidissement, un culot dont la composition variera d’une extrémité à l’autre : d’un côté un métal ou une combinaison définie, de l’autre un alliage à point de fusion minimum. Telle est l’explication du phénomène bien connu de la liquation.

La solidification a cependant lieu à température constante dans deux cas : celui où l’alliage a une composition correspondant à une combinaison définie (le dépôt de cette comHnaison ne modifie pas alors la composition du liquide restant) et celui où cette composition correspond à un point anguleux de la courbe de fusibilité, c’est-à-dire à un alliage eutectique; dans ce cas, il se dépose simultanément les deux métaux correspondant aux branches qui se coupent et la composition du bain liquide reste encore constante.

Quant aux mélanges isomorphes, ils se solidifient tantôt à température constante, tantôt à température progressivement décroissante.

N. B. — Rappelons ici qu’à propos de l’étude des alliages d’antimoine j’ai été amené à rectifier une erreur qui, jusqu’en 1896, se trouvait répétée dans tous les Ouvrages de Chimie français et étrangers. Le point de fusion de l’antimoine y était indiqué comme voisin de 43o°, alors que, en réalité, il ne fond qu’au rouge, à la température de 632”, d’après mes détermina-