Alliages de magnésium vs alliages d'aluminium : comparaison approfondie du choix des matériaux pour les applications automobiles légères

## Introduction

L'industrie automobile connaît une profonde transformation, impulsée par l'impératif d'améliorer le rendement énergétique, de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de se conformer à des normes réglementaires de plus en plus strictes. Au cœur de cette évolution se trouve le concept d'allègement, qui consiste à remplacer les matériaux lourds traditionnels comme l'acier par des alternatives plus légères afin de réduire la masse du véhicule sans compromettre ses performances, sa sécurité ni sa durabilité. Selon les analyses du secteur, une réduction de 10 % du poids d'un véhicule peut entraîner une amélioration de 6 à 8 % de la consommation de carburant, ce qui se traduit directement par une baisse des coûts d'exploitation et des avantages environnementaux. Dans ce contexte, les alliages de magnésium et d'aluminium se sont imposés comme des matériaux de choix pour les applications automobiles, offrant des gains de poids significatifs par rapport aux aciers conventionnels.

Les alliages de magnésium, avec leur densité exceptionnellement faible d'environ 1,74 g/cm³, représentent les métaux structuraux les plus légers disponibles, permettant une réduction de poids jusqu'à 33 % par rapport à l'aluminium et 75 % par rapport à l'acier. Ils sont ainsi particulièrement intéressants pour les composants où la minimisation de la masse est essentielle, comme dans les véhicules électriques et hybrides, où des structures plus légères augmentent l'autonomie des batteries et améliorent l'efficacité globale. Les alliages d'aluminium, quant à eux, avec une densité d'environ 2,7 g/cm³, sont un matériau incontournable de la conception automobile depuis des décennies, à l'origine d'innovations majeures dans les structures de caisse, les blocs-moteurs et les composants de châssis. Leur utilisation généralisée s'explique par un équilibre optimal entre légèreté, excellente formabilité et rentabilité, comme en témoigne le Ford F-150, qui utilise abondamment l'aluminium pour gagner plusieurs centaines de kilos.

Cependant, le choix entre les alliages de magnésium et d'aluminium n'est pas simple ; il exige une compréhension fine de leurs propriétés physiques, mécaniques et économiques, notamment dans le contexte spécifique de l'allègement des véhicules. Cet article propose une comparaison exhaustive, analysant les propriétés des matériaux, les procédés de fabrication, les applications pratiques, les avantages et les inconvénients, les implications en matière de coûts, les impacts environnementaux et les tendances futures. Grâce à l'examen de ces différents aspects, les ingénieurs et les concepteurs peuvent prendre des décisions éclairées et adaptées aux exigences des véhicules, comme par exemple les performances recherchées pour les voitures de sport haut de gamme face à la maîtrise des coûts pour les berlines grand public.

La recherche d'allègements est accentuée par les tendances mondiales à l'électrification et au développement durable. L'Agence internationale de l'énergie prévoyant que les véhicules électriques pourraient représenter 35 % des ventes mondiales de véhicules d'ici 2030, le choix de matériaux optimisant la consommation d'énergie est primordial. Les propriétés d'amortissement supérieures du magnésium, par exemple, améliorent le confort de conduite des véhicules de luxe, tandis que la résistance à la corrosion de l'aluminium convient aux panneaux extérieurs exposés à des environnements difficiles. Cependant, des défis tels que les risques d'inflammabilité du magnésium et les besoins énergétiques plus élevés de l'aluminium lors de sa production complexifient le processus de sélection.

Cette analyse approfondie s'appuie sur les avancées récentes jusqu'en 2025, intégrant les données issues de la recherche en cours et des déploiements industriels. Alors que des constructeurs automobiles comme Tesla et BMW expérimentent des stratégies de matériaux hybrides, la compréhension des compromis entre le magnésium et l'aluminium devient essentielle à l'innovation. L'objectif final est de parvenir à une intégration harmonieuse des matériaux qui non seulement allège les véhicules, mais qui soit également économiquement viable et respectueuse de l'environnement, ouvrant la voie à un avenir automobile plus écologique.

## Comparaison des propriétés des matériaux

Une évaluation approfondie des propriétés des matériaux est essentielle pour choisir entre les alliages de magnésium et d'aluminium destinés aux applications automobiles légères. Les attributs clés comprennent la densité, la résistance mécanique, la rigidité, la résistance à la corrosion, la conductivité thermique, le comportement en fatigue et la capacité d'amortissement, chacun influençant les performances de ces matériaux dans les conditions rigoureuses d'utilisation d'un véhicule.

En matière de densité, les alliages de magnésium présentent un net avantage. Le magnésium pur affiche une densité de 1,74 g/cm³, soit environ les deux tiers de celle des alliages d'aluminium (2,7 g/cm³). Il en résulte un gain de poids considérable ; par exemple, le remplacement d'une pièce en aluminium par une pièce en magnésium permet de réduire la masse d'environ 30 à 35 %, un facteur crucial pour améliorer l'accélération, la tenue de route et le rendement énergétique des automobiles. Dans les applications structurelles telles que les berceaux de moteur ou les carters de transmission, cet avantage en termes de densité permet de réduire l'épaisseur des pièces sans compromettre leur intégrité, offrant ainsi aux concepteurs la possibilité d'optimiser l'espace et l'aérodynamisme.

La résistance mécanique est un autre facteur essentiel. Les alliages d'aluminium présentent une large gamme de résistances à la traction, allant de 70 MPa pour les nuances les plus tendres à plus de 700 MPa pour les variantes à haute résistance comme la série 7xxx, ce qui les rend polyvalents pour les pièces porteuses. Les alliages de magnésium, tels que l'AZ91 ou l'AM60, offrent généralement des résistances à la traction comprises entre 200 et 300 MPa, ce qui, bien que respectable, nécessite souvent un ajout d'éléments comme l'aluminium, le zinc ou les terres rares pour améliorer leurs performances. Cependant, le rapport résistance/poids du magnésium surpasse celui de l'aluminium, sa résistance spécifique (résistance divisée par la densité) étant plus élevée : jusqu'à 158 kN·m/kg pour le magnésium contre 130 kN·m/kg pour l'aluminium. Cela rend le magnésium préférable dans les applications où le poids est primordial, comme les jantes de roues ou les colonnes de direction, mais la résistance absolue supérieure de l'aluminium convient aux châssis ou aux structures de protection contre les chocs qui doivent absorber des impacts importants.

La rigidité, mesurée par le module de Young, révèle l'avantage de l'aluminium. Les alliages d'aluminium ont un module d'environ 70 GPa, contre 45 GPa pour le magnésium, ce qui signifie que les composants en aluminium résistent mieux à la déformation sous charge. Dans le secteur automobile, cela se traduit par une meilleure rigidité des panneaux de carrosserie ou des bras de suspension, réduisant la flexion et améliorant la précision de la tenue de route. Pour compenser, les pièces en magnésium nécessitent souvent des parois plus épaisses ou des renforts, ce qui peut annuler une partie des gains de poids. Cependant, pour les composants sujets aux vibrations, comme les supports moteur, le module plus faible du magnésium contribue à un meilleur amortissement, absorbant les chocs 100 fois plus efficacement que l'aluminium.

La résistance à la corrosion est un facteur de différenciation important. L'aluminium forme une couche d'oxyde naturelle qui offre une excellente protection contre la dégradation environnementale, ce qui le rend idéal pour les applications extérieures en milieux salins ou humides. Le magnésium, en revanche, est très réactif et sujet à la corrosion galvanique, notamment au contact de métaux différents comme les fixations en acier. Cela nécessite des revêtements ou des traitements protecteurs, tels que la conversion au chromate ou l'oxydation électrolytique par plasma, ce qui complexifie le processus et augmente les coûts. Les progrès récents concernant les alliages de magnésium enrichis en terres rares ont amélioré leur résistance à la corrosion, mais l'aluminium reste supérieur à l'état brut.

Les propriétés thermiques jouent également un rôle. L'aluminium présente une conductivité thermique supérieure (environ 200 W/m·K) à celle du magnésium (environ 100 W/m·K), ce qui favorise une meilleure dissipation de la chaleur dans les blocs-moteurs ou les radiateurs. Cet avantage est particulièrement important dans les environnements à haute température, car il prévient les déformations et les défaillances. La plus faible conductivité du magnésium peut constituer un inconvénient dans ce contexte, mais elle est avantageuse pour les applications nécessitant une isolation thermique. La conductivité électrique suit une tendance similaire : l'aluminium est privilégié pour le câblage et les pistes conductrices.

La résistance à la fatigue est cruciale pour les véhicules soumis à des charges cycliques. Les alliages d'aluminium présentent généralement une meilleure résistance à la fatigue grâce à leur microstructure, supportant des millions de cycles avant fissuration. Le magnésium, malgré les améliorations apportées par les techniques d'affinage du grain, peut présenter des limites de fatigue inférieures, notamment sous forme moulée. Les propriétés d'usure varient également ; des études montrent que les alliages de magnésium s'usent plus rapidement en conditions de glissement, même si des renforts comme le carbure de silicium peuvent atténuer ce phénomène.

C'est au niveau de l'amortissement que le magnésium excelle, offrant une absorption des vibrations bien supérieure à celle de l'aluminium et réduisant ainsi le bruit, les vibrations et les secousses (NVH) dans l'habitacle. Cet atout est particulièrement précieux pour les véhicules haut de gamme. En définitive, si le magnésium offre une légèreté et un amortissement inégalés, les propriétés équilibrées de l'aluminium le rendent plus polyvalent dans la conception automobile actuelle.

## Procédés de fabrication

La facilité de mise en œuvre des alliages de magnésium et d'aluminium influence considérablement leur utilisation dans l'allègement des véhicules, notamment pour des procédés tels que la fonderie, l'extrusion, le forgeage et l'usinage. Le comportement de chaque alliage lors de ces opérations a un impact sur l'efficacité de la production, la qualité des pièces et la possibilité de production à grande échelle.

Le moulage sous pression est une méthode dominante pour les deux matériaux, mais de nombreuses différences existent. Le moulage sous pression d'aluminium, utilisant des alliages comme l'A380 ou l'ADC12, bénéficie d'une grande fluidité et d'un faible retrait, permettant la production de pièces complexes à parois fines avec d'excellents états de surface. Les temps de cycle sont courts et le procédé est bien établi, comme en témoignent les carters de moteur. Le moulage sous pression de magnésium, avec des alliages comme l'AZ91D, offre une fluidité encore meilleure grâce à des points de fusion plus bas (environ 600 °C contre 660 °C pour l'aluminium), permettant des parois plus fines (jusqu'à 0,5 mm) et des cycles plus rapides – jusqu'à 30 % plus rapides que pour l'aluminium. Cela réduit la consommation d'énergie et augmente la productivité. Cependant, la réactivité du magnésium avec l'air nécessite des atmosphères protectrices (par exemple, du SF6) pour éviter l'oxydation, ce qui soulève des préoccupations environnementales et de sécurité, bien que des alternatives comme les mélanges de CO2 soient en développement.

Les procédés d'extrusion mettent en évidence la formabilité de l'aluminium. Les alliages d'aluminium s'extrudent facilement en profilés pour cadres ou rails, leur ductilité élevée permettant des formes complexes sans fissuration. Les alliages de magnésium, de structure hexagonale compacte, présentent un nombre limité de systèmes de glissement à température ambiante, ce qui nécessite des températures élevées (300-400 °C) pour l'extrusion, augmentant ainsi les coûts énergétiques et l'usure des outils. Les récents développements en matière de transformation et d'extrusion assistées par cisaillement (ShAPE) ont amélioré l'extrudabilité du magnésium, permettant d'obtenir des grains plus fins et de meilleures propriétés.

Le forgeage du magnésium est moins courant en raison de sa fragilité à basse température, mais le forgeage à chaud (au-dessus de 200 °C) permet de produire des pièces à haute résistance, comme des roues. L'aluminium se forge facilement à température ambiante ou élevée, offrant une résistance à la fatigue supérieure pour les composants critiques. L'usinage est avantageux pour le magnésium ; son pouvoir lubrifiant naturel permet un usinage à sec, générant moins de chaleur et prolongeant la durée de vie des outils par rapport à l'aluminium, qui nécessite souvent des fluides de coupe. Cela peut réduire les coûts d'usinage de 20 à 30 %.

Les techniques d'assemblage diffèrent : l'aluminium se soude bien par MIG ou par friction-malaxage, procédés essentiels pour les structures de carrosserie. Le soudage du magnésium est complexe en raison de sa porosité et de sa tendance à la fissuration à chaud, nécessitant souvent des procédés TIG spécifiques ou l'utilisation d'adhésifs. Les traitements de surface sont cruciaux ; l'aluminium s'anodise facilement pour le protéger de la corrosion, tandis que le magnésium requiert des revêtements pour prévenir les problèmes galvaniques.

En fabrication additive, les deux matériaux sont étudiés pour le prototypage, mais la meilleure imprimabilité de l'aluminium prévaut. De manière générale, la maturité des procédés de fabrication de l'aluminium facilite la production en grande série, tandis que les avantages du magnésium en termes de vitesse de coulée et d'usinabilité conviennent à des applications de niche axées sur la légèreté, la R&D se poursuivant afin de pallier ses limitations.

## Applications dans l'industrie automobile

Dans le secteur automobile, les alliages de magnésium et d'aluminium sont utilisés dans divers composants, leurs propriétés permettant d'alléger les véhicules. On les retrouve dans la transmission, le châssis, la carrosserie et les éléments intérieurs, leur choix étant dicté par les performances requises et les contraintes budgétaires.

Les alliages d'aluminium dominent la structure de la caisse en blanc, représentant jusqu'à 50 % des véhicules modernes comme l'Audi A8. Les alliages haute résistance des séries 5xxx et 6xxx assurent la résistance aux chocs des portes, capots et toits, tout en réduisant le poids de 40 % par rapport à l'acier et en conservant la rigidité. Dans les groupes motopropulseurs, les blocs-moteurs en aluminium (par exemple, dans les modèles Chevrolet) dissipent efficacement la chaleur, optimisant ainsi la gestion thermique.

Les alliages de magnésium excellent dans les pièces intérieures et non structurelles. Les supports de tableau de bord et les armatures de sièges des véhicules Mercedes-Benz sont fabriqués en magnésium pour sa légèreté, permettant un gain de poids de 5 à 10 kg par unité. Les roues constituent une application privilégiée ; les jantes en magnésium, comme celles des modèles Porsche, réduisent les masses non suspendues de 20 à 30 % par rapport à l’aluminium, améliorant ainsi la tenue de route et le confort grâce à un amortissement supérieur. Dans les transmissions, les carters en magnésium allègent les véhicules électriques tels que la Tesla Model S.

Les approches hybrides combinent les deux : l'extérieur en aluminium et l'intérieur en magnésium optimisent les avantages. La BMW i3 en est un exemple, avec son châssis en aluminium associé à des renforts en magnésium pour une répartition optimale du poids. Des défis persistent : la corrosion du magnésium limite son utilisation extérieure, mais des revêtements permettent d'étendre ses possibilités, comme l'ont démontré les hayons de coffre expérimentaux en magnésium de Ford.

L'émergence du magnésium dans les véhicules électriques, notamment pour les batteries et les composants structurels, promet des gains supplémentaires, tandis que la recyclabilité de l'aluminium favorise des flottes durables. De manière générale, la polyvalence de l'aluminium couvre un large éventail d'applications, mais le rôle de niche du magnésium dans l'allègement des véhicules hautes performances est en pleine expansion.

## Avantages et inconvénients

L'évaluation des avantages et des inconvénients des alliages de magnésium par rapport aux alliages d'aluminium révèle des compromis qui orientent le choix des matériaux dans l'allègement des véhicules automobiles.

Le principal avantage du magnésium réside dans son poids extrêmement faible, permettant des économies de 33 % par rapport à l'aluminium, un atout majeur pour les conceptions économes en carburant. Son excellent amortissement réduit les vibrations et le bruit, tandis que sa grande usinabilité diminue les temps de production. Cependant, il présente des inconvénients tels qu'une faible résistance à la corrosion, nécessitant des traitements coûteux, et des risques d'inflammabilité plus élevés. Sa formabilité limitée à température ambiante complique la mise en œuvre, et la volatilité de la chaîne d'approvisionnement accroît les coûts.

L'aluminium excelle en matière de résistance à la corrosion, de formabilité et de conductivité thermique, ce qui le rend fiable pour diverses applications. Son écosystème bien établi garantit une production à grande échelle, mais il est plus lourd que le magnésium et sa production est énergivore. Un amortissement moindre peut entraîner une augmentation des vibrations et du bruit, et les impuretés présentes lors du recyclage peuvent parfois dégrader ses propriétés.

En résumé, le magnésium convient aux pièces spécialisées où le poids est un facteur critique, tandis que l'aluminium offre des solutions équilibrées et économiques pour une utilisation courante.

## Analyse des coûts

Le coût est un facteur déterminant dans le choix des matériaux. Les alliages de magnésium coûtent entre 3 et 6 dollars le kilogramme, contre 2 à 4 dollars le kilogramme pour l'aluminium, en raison de la complexité de leur extraction et de volumes de production plus faibles. Les coûts de transformation du magnésium sont alourdis par les mesures de protection, même si des cycles de coulée plus rapides compensent en partie ces dépenses. Pour les jantes, le coût de fabrication du magnésium est plus élevé, mais les économies réalisées sur le cycle de vie grâce à une meilleure efficacité énergétique peuvent le justifier dans les segments haut de gamme. Les projections du marché indiquent que les alliages de magnésium atteindront 4,3 milliards de dollars d'ici 2030, portés par la demande de véhicules électriques, ce qui pourrait réduire l'écart. Les économies d'échelle réalisées sur l'aluminium le rendent abordable pour la production de masse.

## Impact environnemental et durabilité

Ces deux alliages présentent des avantages en matière de développement durable grâce à leur légèreté, mais leur impact environnemental diffère. La production d'aluminium est énergivore (15 à 20 kWh/kg), mais le recyclage permet d'économiser 95 % d'énergie. La production de magnésium peut être plus contraignante avec le procédé Pidgeon, qui émet du CO₂, mais les méthodes électrolytiques sont plus propres. Le recyclage du magnésium consomme moins d'énergie que sa production primaire, et son utilisation dans les véhicules réduit les émissions totales de 20 à 30 % grâce à une meilleure efficacité. Les analyses de cycle de vie montrent que les plateformes de recyclage du magnésium réduisent l'impact environnemental, malgré les difficultés de tri en fin de vie. Globalement, les deux alliages favorisent une mobilité plus verte, mais l'infrastructure de recyclage bien établie de l'aluminium lui confère un avantage certain.

## Tendances et défis futurs

D’ici 2025, les alliages de magnésium devraient connaître une forte croissance dans le secteur des véhicules électriques, grâce à des formulations avancées améliorant la résistance à la corrosion et la solidité. Le marché devrait atteindre 6 milliards de dollars d’ici 2035, porté par l’allègement des véhicules électriques. Parmi les défis à relever figurent la stabilité de l’approvisionnement et la réduction des coûts. L’aluminium restera le matériau dominant, mais les matériaux hybrides et l’impression 3D pourraient offrir des avantages complémentaires.

## Conclusion

Dans la quête d'allègement des véhicules, les alliages de magnésium offrent des gains de poids et un amortissement inégalés, tandis que l'aluminium apporte polyvalence et durabilité. Le choix optimal dépend des besoins spécifiques de l'application, en conciliant performance, coût et durabilité. Avec l'électrification croissante du secteur, l'intégration de ces deux matériaux stimulera l'innovation et garantira des véhicules performants et respectueux de l'environnement.