Extraction du tungstène

Le tungstène fond à une température plus haute que tout autre métal : on ne peut ni le fondre ni le couler comme le fer ou le cuivre. On le tire de ses minerais sous forme de fine poudre, et c'est à partir de cette poudre qu'on en fait des barreaux, du fil et le carbure dur des outils de coupe. Les frères Elhuyar ont isolé le métal pour la première fois à Bergara, au Pays basque, en 1783.

Ce que c’est

Le tungstène est un métal gris aussi lourd que l’or, qui fond à une température plus haute que tout autre métal. Dans la nature, on le trouve presque toujours combiné dans des minéraux ; le tungstène natif, le métal libre, est un minéral très rare, décrit officiellement en 2021 seulement. Les deux minerais qui valent d’être exploités sont la wolframite, un tungstate de fer et de manganèse noir, et la scheelite, un tungstate de calcium clair. Le métal s’appelle aussi wolfram, d’après le premier, d’où son symbole chimique W.

Des dents de scie à plaquettes de carbure : les pointes dures en carbure de tungstène coupent, la lame d’acier les porte.

Aujourd’hui, il sert surtout au carbure cémenté, un matériau fait de grains de carbure de tungstène liés par du cobalt, assez dur pour couper et percer le métal, la pierre, le bois et les plastiques. Le tungstène entre aussi dans des aciers à outils et d’autres alliages, dans des contrepoids et des écrans contre les rayonnements où compte son poids, et dans les filaments de lampes et d’autres pièces qui doivent supporter une très forte chaleur.

Tirer le tungstène de son minerai relève de l’industrie chimique. On y emploie des produits chimiques puissants et l’on obtient de fines poudres de métal et de carbure dont il ne faut pas respirer la poussière ; ce travail ne se fait que dans des installations industrielles spécialisées.

Comment ça marche

Les minerais de tungstène sont pauvres : le minéral utile est dispersé dans une masse de roche bien plus grande, et il faut le concentrer avant toute chimie. Les usines de traitement s’appuient sur ses propriétés : les deux minéraux de tungstène sont bien plus denses que la roche qui les entoure, la wolframite est faiblement magnétique, et les grains fins de scheelite, une fois leur surface traitée, s’accrochent à des bulles d’air.

Des usines chimiques transforment ensuite le concentré en composés de tungstène purs, dont l’oxyde de tungstène. Le métal tiré de l’oxyde ne fond pas : il se présente sous la forme d’une fine poudre grise. Le carbure de tungstène, le composé dur des outils, se produit lui aussi en poudre.

Comme le tungstène fond à une chaleur qu’aucun four ordinaire n’atteint, on le met en forme à partir de poudre, comme le carbure cémenté. Un barreau fritté est un barreau solide mais cassant dont les grains de poudre se sont soudés sans fondre. William Coolidge a trouvé comment rendre de tels barreaux assez tenaces et pliables pour en faire du fil, et dans le carbure cémenté, c’est le cobalt qui lie les grains durs de carbure.

Histoire et évolution

Minerai d’étain avec de la wolframite : la lame noire est le minéral qui gênait les fondeurs d’étain.

Au XVIe siècle, les mineurs d’étain de l’Erzgebirge, les monts Métallifères entre la Saxe et la Bohême, connaissaient la wolframite comme un minéral gênant qui faisait baisser le rendement de leur étain. Ils lui donnaient des noms formés sur le mot allemand pour le loup, comme Wolf Rahm, « bave de loup ». En 1781, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele tira un acide nouveau, l’acide tungstique, d’un minéral suédois appelé tungsten, « pierre lourde », aujourd’hui nommé scheelite en son honneur. Scheele et Torbern Bergman pensaient qu’on pourrait en tirer un métal nouveau, mais ils ne parvinrent pas à réduire l’acide.

En 1783, les frères Juan José et Fausto Elhuyar, qui travaillaient au Séminaire royal de la Société basque des Amis du pays, à Bergara, trouvèrent le même acide dans la wolframite et le réduisirent en métal. Ils appelèrent ce métal wolfram et publièrent leur analyse la même année.

Une lampe des années 1910 dont le filament de tungstène tréfilé est tendu en zigzag autour de sa tige de verre.

Les fabricants de lampes voulaient du tungstène parce que ses filaments donnaient bien plus de lumière que ceux de carbone, mais les premiers filaments de tungstène étaient cassants. En 1909–1910, au laboratoire de recherche de General Electric, William Coolidge obtint du tungstène ductile à partir de barreaux frittés, et General Electric commença à vendre des lampes à filament de tungstène tréfilé. L’ampoule à incandescence emploie depuis lors du fil de tungstène, tréfilé comme dans le tréfilage mais à travers des filières de diamant et de carbure.

Le carbure cémenté est né de cette industrie des lampes. Cherchant un matériau pour remplacer les filières de diamant qui servaient à tréfiler le fil de tungstène, Karl Schröter, d’Osram, déposa en 1923 un brevet pour un alliage dur fritté de carbure de tungstène et de cobalt. Krupp en acheta les droits et le vendit à partir de la fin des années 1920 sous le nom de Widia, de l’allemand « wie Diamant », comme le diamant. Les outils en carbure ont transformé l’usinage, et une grande partie du tungstène extrait aujourd’hui finit dans des pièces en carbure cémenté.