1. Historique et fabrication du cuivre
Le cuivre est le plus vieux métal au monde puisqu'il a été utilisé plus de 8000 ans avant notre ère dans de nombreuses régions du Proche-Orient. A l'origine, seul le cuivre natif, c'est à dire pur de toute combinaison avec d'autres éléments, était utilisé ; il provenait de divers sites et notamment de Chypre qui lui a donné son nom : Aes Cyprium.
Les anciens représentèrent le cuivre par le symbole , forme modifiée du hiéroglyphe égyptien signifiant " pour la vie ", marquant ainsi la pérennité du cuivre.
L'or et l'argent, qui étaient avec le cuivre les métaux le plus souvent trouvés à l'état natif, ont été aussi utilisés très tôt mais seulement comme décorations alors que le cuivre servait à faire aussi des objets utilitaires. Ceux-ci ont été fabriqués en grand nombre par les Egyptiens, les Chaldéens et d'autres peuples du Moyen-Orient.
Parce que les minerais de cuivre contenaient naturellement
diverses impuretés, ou que des mélanges furent effectués
fortuitement, des alliages furent élaborés comme
le cuivre à l'arsenic ou le bronze, alliage de cuivre et
d'étain, dont l'origine remonte à environ 3500 ans
avant J.C. Ce dernier alliage va tenir une place considérable
en donnant son nom à une période de notre civilisation,
l'âge du Bronze, bien avant le fer qui n'apparaît
que vers 1800 avant J.C.
En Europe occidentale, le cuivre et le bronze ne font leur apparition
que vers 2000 ans avant J.C. Les grecs possédaient des
techniques de coulée du bronze hautement élaborées,
dont le principe est encore utilisé aujourd'hui pour les
coulées de précision. L'une des sept merveilles
du monde, le colosse de Rhodes, réalisé en 290 avant
J.C., fut réalisé en martelant des feuilles de cuivre
sur des moules en bois.
Puis d'autres alliages sont créés au Proche-Orient
mais aussi en Chine :
- des alliages de cuivre au plomb et à l'antimoine en Chaldée
;
- des laitons, alliages de cuivre et de zinc, dont l'emploi devient
courant sous l'empire romain.
L'invention de la poudre devait conduire à l'emploi
du bronze en grandes quantités dans l'artillerie. Les premiers
instruments scientifiques tels que boussoles, balances et une
grande partie des pièces métalliques employées
à bord des navires étaient en cuivre ou en laiton
à cause de leur inaltérabilité.
Mais pendant près de quatre millénaires peu de nouveautés
sont à signaler. Il faut en effet attendre le XIX°
siècle pour qu'apparaissent de nouveaux alliages et donc
de nouvelles applications.
C'est la découverte de l'électricité qui
va donner au cuivre sa vocation moderne, celle de conducteur électrique.
Parallèlement, la naissance de l'industrie va provoquer
la mise au point de nombreux alliages tels que des laitons spéciaux
pour le doublage des coques de navires (laiton Amirauté
à 1 % d'étain), les cupro-aluminium créés
en 1855 par Henri Sainte-Claire-Deville, ou les cupro-nickel (Monel).
La production mondiale de cuivre est de l'ordre de 9 millions
de tonnes par an, sans grande évolution depuis plusieurs
années.
La fabrication du cuivre comporte trois étapes :
- extraction et concentration des minerais,
- fabrication des " blisters ",
- affinage des blisters pour produire le cuivre.
Le cuivre n'est présent dans l'écorce terrestre
qu'en faible quantité, de l'ordre de 0,0005 %. Il n'existe
plus à l'état natif comme dans l'antiquité.
Il se présente aujourd'hui sous forme de sels contenant
de 30 à 90 % de cuivre, mélangés avec d'autres
minerais ; les minerais de cuivre se présentent sous deux
formes : les minerais oxydés et les minerais sulfurés
qui sont les plus répandus et qui représentent plus
de 80 % de la production mondiale ; ces derniers ont une teneur
en cuivre qui varie de 0,7 à 2 %. Dans la plus grande mine
à ciel ouvert du monde, située à Chuquicamata
au Chili, le rapport déchets / minerais est de 3 pour 1.
La première étape du traitement des minerais sulfurés
en vue de l'obtention de concentrés consiste en des opérations
de tamisage, concassage, broyage et triage qui les transforment
en poudre grossière que l'on arrose avec de l'eau. Par
un traitement de flottation puis de décantation, on obtient
un concentré contenant de 25 à 40 % de cuivre.
La fabrication des blisters part de ces concentrés. Dans un premier temps, à l'état liquide avec des fondants, on sépare par gravité et par grillage les autres minerais des sels de cuivre, plus lourds, pour obtenir une " matte " fortement chargée en soufre contenant de 40 à 60 % de cuivre. Puis, dans un four rotatif à 1300 °C on sépare le cuivre des autres éléments contenus dans la matte ; cette opération donne des blisters, contenant de 98 à 99,5 % de cuivre, qui se présentent sous forme de plaques dont la surface oxydée est pleine de cloques, d'où le nom de blisters.
Les blisters doivent être affinés pour obtenir
la pureté de 99,90 % de cuivre, utilisable industriellement.
Il existe deux procédés d'affinage :
- l'affinage thermique, qui consiste à refondre le blister
en l'oxydant pour éliminer les impuretés sous forme
d'oxydes qui se volatilisent. Au cours de ce traitement, le cuivre
se charge de 0,6 à 0,9 % d'oxygène dont il faut
éliminer l'essentiel ; ceci se fait en introduisant dans
le bain de cuivre liquide des troncs de bois vert. Le cuivre contient
alors encore de 0,02 à 0,04 % d'oxygène et qui,
de ce fait, n'a que peu d'utilisations industrielles.
- l'affinage électrolytique, qui transforme le blister
préalablement coulé sous forme de plaques appelées
anodes en cathodes par le procédé d'électrolyse
de l'anode soluble. Le cuivre obtenu est pur mais il n'est pas
encore utilisable en l'état à cause de sa porosité.
Les cathodes sont donc refondues suivant différents
procédés qui vont donner les différentes
qualités de cuivre utilisées dans l'industrie :
- le Cu-a1, ou Cu-ETP, est obtenu par refusion à l'air
et qui contient de l'oxygène,
- les Cu-b1 et Cu-b2, ou Cu-DHP et Cu-DLP, obtenus par refusion
à l'air et désoxydés par ajout de phosphore,
- le Cu-c1, ou Cu-OF, obtenu par refusion sous atmosphère
réductrice (azote et monoxyde de carbone).
Le cuivre peut être facilement récupéré car les pertes lors des traitements métallurgiques de refusion et de transformation sont faibles. Le cuivre ne se dégrade pas car son oxydation de surface est faible. Le recyclage peut théoriquement être opéré à l'infini car le cuivre perd très peu de sa substance au cours de ses usages successifs et conserve intactes ses qualités intrinsèques ; on considère que 75 % des produits cuivreux en circulation sont récupérables. Les produits en fin de vie sont récupérés après dépose et séparés des autres produits associés comme les matières isolantes, le fer, le zinc... Ils sont ensuite affinés et le cuivre est ensuite coulé en produits destinés aux transformateurs.
2. Avantages techniques et économiques
Le cuivre est le deuxième métal non-ferreux employé industriellement, derrière l'aluminium, pour ses propriétés remarquables.
- le cuivre est le meilleur conducteur de l'électricité
et de la chaleur. C'est sa caractéristique essentielle.
La conductivité électrique du cuivre Cu-a1 (Cu-ETP)
recuit a été prise comme référence
par la Commission Electrotechnique Internationale en 1913 ; elle
est égale, par définition, à 100 % IACS (International
Annealed Copper Standard). Seul l'argent a une conductivité
supérieure (environ 106 % IACS). La résistivité
électrique correspondante, à 20°C, est de 1,7241
10-8 W.m.
Par comparaison, la conductivité électrique de l'aluminium
pur est de 63 % IACS.
La solidité d'un fil de cuivre, la fiabilité des
contacts électriques qu'il permet d'obtenir sont les raisons
essentielles de l'emploi généralisé du cuivre
dans toute l'industrie électrique et électronique.
A titre d'exemple, 95 % des fils conducteurs d'un Airbus sont
en cuivre.
La conductivité thermique du cuivre est aussi la plus importante
de tous les métaux utilisés industriellement. Elle
est à 20°C de 389 W.m-1.K-1, à comparer à
celle de l'aluminium qui est égale à 231 W.m-1.K-1,
soit 59 % de la conductivité thermique du cuivre. Cette
propriété est largement mise à profit dans
les chauffe-eau, chaudières, radiateurs automobiles, condenseurs
et réchauffeurs des centrales électriques thermiques
et nucléaires.
- le cuivre est un métal non magnétique.
Sa perméabilité magnétique relative est de
1,000 soit légèrement plus faible que celle de l'aluminium
et 50 fois plus faible que celle des aciers. Cette propriété
s'ajoutant à sa conductivité électrique vaut
au cuivre de nombreuses applications dans l'horlogerie, la construction
électrique et électronique et dans l'armement naval.
- le cuivre a une bonne résistance à la corrosion.
Le cuivre n'a pas une grande affinité pour l'oxygène
à l'état solide. Le cuivre et ses alliages ne sont
pas attaqués par l'eau ni par bon nombre de produits chimiques.
Cette propriété confère au cuivre et ses
alliages de nombreuses applications : tuyaux d'adduction d'eau,
récipients et conteneurs, robinetterie ; les pompes et
canalisations d'eau de mer sont exclusivement réalisées
en alliages de cuivre. Les toitures en cuivre défient le
temps : soumis aux intempéries, le cuivre prend dans un
premier temps une couleur brun foncé, puis une patine vert
clair très adhérente, qui le protège de toute
oxydation ultérieure.
- le cuivre a une grande facilité de mise en forme.
Il est extrêmement ductile. Non allié, il n'y a pratiquement
pas de limite à son travail à froid. Il se lamine
très facilement en tôle, se martèle en feuilles
très minces et s'étire en fils extrêmement
fins.
- le cuivre est un métal esthétique.
C'est avec l'or le seul métal nettement coloré.
D'ailleurs, l'or de bijouterie contient jusqu'à 15 % de
cuivre. Sa couleur naturelle est rose saumon, mais il apparaît
souvent rouge par suite de son oxydation superficielle. Cette
couleur est recherchée en décoration de même
que la couleur jaune plus ou moins soutenue de ses alliages avec
le zinc, les laitons.
- le cuivre a des propriétés biologiques.
Le cuivre est nécessaire à la vie ; les organismes
vivants en contiennent de 1 à 10 mg par kg. L'homme et
les animaux ont besoin d'absorber quotidiennement quelques milligrammes
de cuivre pour assurer la formation de l'hémoglobine du
sang.
Le cuivre a des propriétés bactéricides ;
il détruit les micro-organismes et les bactéries
et assainit les canalisations ; il est utilisé pour la
distribution de l'eau, la fabrication de la bière et des
confitures, la distillation des alcools. Le cuivre et ses alliages
avec le nickel sont utilisés sur les structures immergées
en mer comme anti-fouling, empêchant la fixation d'algues
et d'organismes marins.
Les sels de cuivre, comme le sulfate ou l'oxychlorure, sont utilisés
comme fongicides en viticulture et en agriculture.
Le cuivre est un métal lourd : sa masse volumique est de 8,96 kg/dm3, donc plus élevée que celle du fer (7,86 kg/dm3) ; de plus il est beaucoup plus cher ; malgré ces handicaps, à conduction électrique égale, le prix d'un conducteur en cuivre est égal à 30 % du prix d'un conducteur en fer.
3. Influence des éléments d'alliage
La résistance mécanique du cuivre pur est relativement
faible, comme beaucoup de métaux purs. Celle-ci peut être
considérablement augmentée par l'addition d'autres
métaux pour former des alliages. Les différences
entre alliages sont dues essentiellement à l'élément
d'addition principal mais aussi aux autres éléments
d'addition, ajoutés en moindre quantité, les éléments
secondaires. On trouve enfin des éléments présents
dans l'alliage sans qu'ils aient été ajoutés
volontairement, les impuretés, et dont certaines peuvent
être nuisibles pour certaines applications.
Tous les éléments jouent, par leur nature et leur
teneur, sur plusieurs propriétés de l'alliage :
* les caractéristiques mécaniques (charge de
rupture Rm, limite élastique Rp02, allongement à
la rupture A%, dureté HV),
* la masse volumique,
* les conductivités électrique et thermique,
* l'usinabilité,
* l'aptitude à la déformation à froid et
à chaud.
Le cuivre est capable de s'allier à bon nombre d'éléments donnant ainsi naissance à beaucoup d'alliages différents ayant un faisceau de propriétés très large, permettant de satisfaire un grand nombre d'applications. On peut introduire dans le cuivre jusqu'à 100 % de nickel, 40 % de zinc, 25 % d'étain et 15 % d'aluminium.
On classe les alliages de cuivre en plusieurs familles et on distingue au sein de chaque famille de nombreux alliages en fonction de la teneur des éléments d'addition :
cuivres purs : teneur en cuivre supérieure à
99,90 %
cuivres faiblement alliés : la teneur des éléments
d'addition est inférieure à 5 %
cuivre + zinc : laitons binaires
cuivre + zinc + plomb : laitons au plomb
cuivre + zinc + autres : laitons complexes
cuivre + étain : bronzes
cuivre + étain + zinc : chrysocales
cuivre + aluminium : cupro-aluminiums
(bronzes d'aluminium)
cuivre + nickel : cupro-nickels
cuivre + nickel + zinc : maillechorts
(inventés par Maillet et Chorier)
Le tableau suivant donne les désignations des principaux alliages et compare les désignations françaises et étrangères.
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C 86200 |
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C 63000 |
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ISO : International Standard Organization (Normes mondiales)
CEN : Comité Européen de Normalisation (Normes
européennes)
4. Influence des conditions de fabrication - Etats métallurgiques
Il est possible d'augmenter la résistance mécanique
du cuivre et de tous ses alliages par déformation à
froid appelée écrouissage. Cette déformation
diminue simultanément l'aptitude des alliages à
la déformation à froid qu'il est possible de lui
faire recouvrer par un traitement thermique de recuit qui confère
au métal sa résistance mécanique minimum.
Certains alliages de cuivre durcissent plus vite que d'autres
pour la même déformation ; on dit que ces alliages
ont une prise d'écrouissage rapide.
L'écrouissage a des effets sur plusieurs propriétés de l'alliage :
- la charge de rupture, la limite élastique et la dureté
augmentent, tandis que l'allongement à la rupture et la
capacité de déformation à froid diminuent,
- la conductivité électrique diminue.
Le traitement thermique de recuit a les effets inverses.
L'écrouissage est la façon la plus générale de durcir les alliages de cuivre ; seuls quelques alliages peuvent être durcis aussi par traitement thermique de mise en solution - trempe - revenu. Ces alliages sont d'ailleurs la plus part du temps durcis par trempe - écrouissage - revenu.
Entre l'état recuit et l'état le plus dur normalement produit, il est défini plusieurs états intermédiaires ; ces états, dont les niveaux de dureté atteints sont croissants peuvent être obtenus de deux façons : soit en partant d'un alliage complètement recuit et en l'écrouissant partiellement, soit en partant d'un alliage complètement écroui et en le recuisant partiellement (états partiellement recuits ou restaurés) ; l'écrouissage introduisant des contraintes internes au métal, il est nécessaire pour certaines applications de les supprimer par un traitement de détente qui ne modifie que très peu les caractéristiques mécaniques de l'alliage.
Le tableau ci-dessous donne les désignations normalisées des états écrouis de la norme française NF A 02-008 de septembre 1986 ; cette norme a été annulée et remplacée par la norme européenne NF EN 1173 de mai 1996 détaillée ci-après ; ces désignations françaises sont toutefois présentées ici car elles vont rester encore longtemps dans le vocabulaire courant.
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H16 H17 |
Certains alliages sont susceptibles de durcissement par traitement thermique ; les états correspondants, bien que désignés dans la norme NF A 02-008 sont rarement utilisés ; il leur est préféré les vocables suivants :
TR : trempé - revenu
TE : trempé - écroui
TER : trempé - écroui - revenu
TRE : trempé - revenu - écroui
Ces alliages sont des cuivres faiblement alliés comme le CuCr, le CuCrZr, le CuFe, le CuCo (TER ou TRE) le CuNiSi (TER), le CuBe2, le CuCoBe et certains cupro-nickels ( TE ou TER).
La norme NF EN 1173 ne désigne pas les états des produits par les procédés de fabrication et/ou le traitement thermique ; les désignations sont fondées sur le niveau d'une des caractéristiques prescrites et, le cas échéant, tout traitement complémentaire spécial telle que le traitement de détente. La désignation de l'état se fait par une lettre suivie de 3 ou 4 chiffres. La lettre indique la caractéristique obligatoire à respecter et les chiffres la valeur minimale de cette propriété spécifiée dans la norme de produit. Les lettres sont les suivantes :
A = Allongement à la rupture
B = Limite de flexion élastique
D = Brut d'étirage, sans spécification de
caractéristiques mécaniques (non suivi de chiffre)
G = Grosseur de grain (les chiffres donnent la valeur médiane)
H = Dureté Brinell ou Vickers
M = Brut de fabrication, sans spécification de caractéristiques
mécaniques (non suivi de chiffre)
R = Résistance à la traction
Y = Limite conventionnelle d'élasticité à
0,2 %
5. Caractéristiques typiques des alliages et des états de livraison
Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques de la composition et de la masse volumique d'un certain nombre d'alliages usuels.
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Volumique kg.dm³ |
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| Cu | O | P | Te | Cr | Zr | Be | Zn | Pb | Sn | Mn | Al | Ni | Fe | ||
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99,9 | 200 |
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99,9 |
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380 |
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99,9 |
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380 | 0,5 |
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0,8 | 0,15 |
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2,1 |
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60,5 |
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0,85 |
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23,5 | 3,25 | 4 | 2,25 |
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0,2 | 8,75 |
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9,15 | 3 | 2 |
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N.B. : Les teneurs en cuivre des Cu-a1, Cu-b1 et Cu-c1 sont
des minimums.
Les teneurs en O et P sont en ppm.
* = le reste.
Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques des caractéristiques physiques, mécaniques et des propriétés de mise en oeuvre de ces alliages.
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électri. % IACS |
corrosion eau de mer |
soudage |
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déform. |
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| Rm N/mm² | Rp02 N/mm² | A % | |||||||
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H14 |
350 |
320 |
6 |
96 |
B |
D |
D |
C |
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H14 |
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H14 |
525 |
430 |
8 |
24 |
C |
C |
C |
C |
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H14 |
740 |
730 |
5 |
8 |
A |
C |
C |
D |
| CuAl9Ni3Fe2 |
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6. Classement des alliages suivant leur utilisation
-Usinage-décolletage - Conducteur éléctrique -
Résistance à l' abrasion
- Résistance à la corrosion
-
-Haute résistance mécanique
-
L'usinabilité d'un alliage s'apprécie généralement
à l'aide de 4 critères :
- l'état de surface des pièces,
- la vitesse de coupe, qui conditionne la productivité
des machines,
- la fragmentation du copeau, critère important pour la
productivité et la fiabilité des machines automatiques,
- la durée de vie des outils de coupe, critère économique
mais aussi technique en raison de son incidence sur la précision
des pièces produites.
Le cuivre pur n'a pas une grande aptitude à être
usiné. En revanche, certains de ses alliages ont d'excellentes
capacités d'usinabilité et notamment aux grandes
vitesses.
On peut subdiviser les alliages cuivreux en 3 groupes suivant
leur usinabilité, notée par un indice qui intègre
de façon simpliste les critères ci-dessus.
* Groupe I : alliages décolletables (indices
de 70 à 100)
Ce sont tous les alliages de cuivre qui contiennent du plomb,
et en particulier les laitons au plomb. Le CuZn40Pb3
est considéré comme le champion du monde de tous
les métaux ; on lui attribue l'indice 100 et on classe
tous les autres par rapport à lui. A ces alliages au plomb,
il faut ajouter le CuTe ainsi que le CuS.
* Groupe II : alliages à usinabilité moyenne
(indices de 30 à 65)
Il s'agit des laitons sans plomb à teneur en zinc supérieure
à 28 %, des laitons complexes et des maillechorts.
* groupe III : alliages à usinabilité médiocre
(indices de 20 à 25)
Il s'agit des cuivres purs, de pratiquement tous les cuivres faiblement
alliés, des laitons binaires dont la teneur en zinc est
inférieure à 20 %, des bronzes, des cupro-aluminiums
et des cupro-nickels.
Le tableau ci-dessous donne à titre de comparaison les indices d'usinabilité de certains alliages cuivreux et de certains aciers ou fonte.
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CuZn36Pb3 CuZn39Pb2 |
95 85 |
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Le cuivre pur a la résistivité électrique la plus faible de tous les métaux industriels. L'addition d'éléments d'alliage augmente systématiquement cette résistivité dans des proportions très variables selon l'élément ; cette augmentation, en micro.W.cm par % d'élément est de :
| argent : | 0.22 |
| zinc : | 0.29 |
| oxygène : | 0.36 |
| étain : | 1.65 |
| aluminium : | 2.22 |
| fer : | 10.6 |
| phosphore : | 14.3 |
| soufre : | 18.6 |
Les alliages utilisés pour leur forte conductivité, supérieure à 60 % IACS sont les cuivres et certains cuivres faiblement alliés comme le CuAg, le CuCd, le CuTe, le CuS à l'état recuit ou écroui, le CuCr, le CuCrZr, le CuFe et le CuCo à l'état TER. Les autres alliages ont des conductivités inférieures à 50 %, ce qui les met au niveau des alliages d'aluminium, voire des aciers :
| CuBe2 TER : | 22 % IACS |
| laitons : | 23 à 56 % IACS |
| bronzes : | 10 à 20 % IACS |
| cupro-aluminiums | 8 à 16 % IACS |
| cupro-nickels : | 3 à 15 % IACS |
| maillechorts : | 6 à 9 % IACS |
Tous les alliages perdent de la conductivité lorsqu'ils écrouis ; cette perte est variable d'une famille d'alliage à l'autre :
| cuivres : | 2 à 4 % IACS |
| cuivres faiblement alliés : | 4 à 8 % IACS |
| CuBe2 TR : | 10 % IACS |
| laitons : | 2 à 5 % IACS |
| bronzes : | 1 à 2 % IACS |
Les alliages qui peuvent durcir par traitement thermique permettent un grand nombre de combinaisons Charge de rupture - Conductivité en jouant sur les paramètres du revenu et de l'écrouissage entre trempe et revenu ; le traitement de revenu augmente en effet notablement la conductivité du métal en même temps que sa charge de rupture. Le Cu0.8%Cr en est un exemple :
| Etat | Rm (N/mm²) | % IACS |
| Trempé | 250 | 25 |
| Trempé revenu | 450 | 75 |
Pour de nombreuses machines tournantes, certains alliages cuivreux présentent au contact de l'acier des propriétés antifriction très intéressantes ; ils sont employés comme coussinets, glissières, bagues, noix, écrous et pour des roues dentées. Ces alliages s'emploient souvent sous forme de produit coulés en continu car, dans ce cas, leur performance est meilleure et plus régulière.
Les qualités recherchées dans un alliage antifriction sont une résistance à l'usure sous pression, une résistance au grippage et à la fatigue ; une bonne conductivité thermique est parfois nécessaire pour éliminer la chaleur dégagée, mais la température de ces alliages en service est normalement limitée par la tenue des lubrifiants à 200°C.
Le frottement alliages cuivreux - acier suppose toujours une
lubrification du contact, mais celle-ci peut varier :
- le film de lubrifiant est continu, avec séparation totale
des métaux, pour des vitesses linéaires supérieures
ou égales à 0,2 m/s ; les alliages cuivreux utilisés
sont les bronzes tels que les CuSn9P, CuSn12P, CuSn5Pb5Zn5 et
CuSn7Pb6Zn4, lorsque les pressions de contact ne dépassent
pas 600 kg/cm² et les CuAl9Ni3Fe2 et CuAl9Ni5Fe4 qui peuvent
supporter des pressions jusqu'à 2000 kg/cm².
- la lubrification est limitée et les contacts métal-métal
sont fréquents pour des vitesses inférieures à
0,05 m/s ou irrégulières. Dans ce cas, les risques
de grippage et d'usure sont importants ; les alliages contenant
du plomb sont alors nécessaires, tel que le CuPb10Sn10.
Le cuivre est certes moins noble que les métaux précieux,
platine, or et argent, mais il l'est plus que tous les autres
métaux. Son affinité pour l'oxygène est faible.
L'oxydation du cuivre dans l'air produit une couche superficielle
qui ralentit considérablement la cinétique d'oxydation
sans toutefois l'arrêter totalement.
Le cuivre ne peut réduire l'hydrogène de l'eau et
ne se corrode donc en principe que dans des eaux aérées
contenant de l'oxygène dissous ; cette corrosion produit
une couche isolante qui protège le cuivre de toute attaque
ultérieure.
Le cuivre Cu-b1 (Cu-DHP) est très largement utilisé
pour la fabrication de tubes sanitaires et pour les échangeurs
de température ; dans ce cas, il est réservé
à des conditions faciles où les eaux sont peu chargées
en sels et la vitesse de circulation est inférieure à
1,50 m/s.
Dans le cas de l'eau de mer, et en particulier pour les échangeurs
de chaleur, on utilise des alliages de cuivre encore plus résistants
comme les cupro-nickels ou les cupro-aluminiums qui allient résistance
mécanique et résistance à la corrosion.
Les laitons sont particulièrement sensibles à
deux formes particulières de corrosion :
* la corrosion sous contrainte, lorsque la teneur en zinc est
supérieure à 20 %, en présence de corps agressifs
et en particulier de l'ammoniaque humide ; ce phénomène
est connu sous le nom de crique saisonnière (season cracking).
Pour éviter ce phénomène, il faut éliminer
les contraintes internes en fin de fabrication par un traitement
thermique de détente.
* la dézincification : la zone de surface dézincifiée
est remplacée par une couche poreuse de cuivre qui n'a
plus de solidité. Cette dézincification se produit
essentiellement au contact d'eaux relativement agressives. Pour
les laitons contenant moins de 36 % de zinc, on annule totalement
ce phénomène par l'addition d'arsenic.
La majorité des alliages de cuivre, lorsqu'ils sont
fortement écrouis, peuvent présenter une charge
de rupture qui atteint 400 N/mm², mais ceci généralement
au détriment de la conductivité électrique.
Seuls les alliages à durcissement structural, et à
l'état Trempé-Ecroui-Revenu, peuvent présenter
une charge de rupture qui dépasse, largement pour certains,
400 N/mm² et présenter en même temps une conductivité
importante.
Cela leur réserve des applications dans les ressorts et
les contacteurs électriques.
On peut citer, à titre d'exemple, les alliages-états
suivants :
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Exemples d'utilisations et principaux alliages utilisés :
Electricité, électronique, connectique
Contacts CuBe2, CuCoBe, CuFe
Câbles et fils électriques, barres conductrices Cu-a1
Connexions, composants électroniques, Cu-a1, Cu-c1,
CuBe2, CuFe
circuits imprimés
Prises, interrupteurs domestiques Laitons
Véhicules industriels et de Travaux Publics
Bagues, coussinets, engrenages Bronzes
Radiateurs, thermostats Cu-b, laitons
Canalisation et connexions circuits Laitons
de freinage
Industrie
Machines outils Bronzes, laitons
Pignons, bagues, coussinets Bronzes
Ressorts, diaphragmes Bronzes
Echangeurs Cupro-nickels, cupro-aluminiums
Corps de pompes chimie et pétrole Cupro-nickels, cupro-aluminiums
Filtres de papeterie Laitons
Visserie, boulonnerie Laitons
Armement
Munitions de guerre et de chasse CuZn30
Obus
Décoration, luxe
Orfèvrerie, bijouterie Laitons
Plats, couverts Maillechorts
Boîtiers de montres Laitons
Lunetterie Maillechorts
Boutons pression CuZn30
Stylos, briquets, boucles de ceinture Laitons
Instruments de musique Laitons, maillechorts
Marine
Hélices, gouvernails, pompes Bronzes, cupro-aluminiums
Vannes et pièces raccord d'usines de Cupro-nickels et
dessalement d'eau de mer cupro-aluminiums
Plates-formes off-shore Cupro-nickels, cupro-aluminiums
Protection des coques de navires Cu-a1
Parcs à huître, cages d'aquaculture Cupro-nickels
7.1 Produits longs
Ils sont obtenus le plus souvent par filage et étirage ou tréfilage.
Barres : produits pleins livrés en longueur droite dont la section est identique sur toute la longueur et qui a une forme ronde, carrée ou hexagonale (appelée 6 pans)
Barres creuses : produits creux livrés en longueur droite dont la section, identique sur toute la longueur, a intérieurement une forme ronde et extérieurement une forme ronde, carrée ou hexagonale.
Tubes : produits creux livrés en longueur droite dont l'épaisseur est constante tout autour de la section ; celle-ci peut avoir une forme ronde ou carrée.
Fils : produits de section ronde et de très grande longueur livrés enroulés en couronne.
Méplats : produits livrés en longueur droite ou en couronne de section rectangulaire dont le rapport largeur sur épaisseur ne dépasse pas 10.
Profils : produits livrés en longueur droite ou en couronne dont la section peut avoir une forme simple, en L, appelée aussi cornière, en U, en T, ou une forme plus compliquée dont la description complète nécessite un plan coté. Ils sont souvent classés par leur poids au mètre.
7.2 Produits plats
Ils sont principalement obtenus par laminage ; leur section est rectangulaire et le rapport largeur sur épaisseur est supérieur à 10.
Tôles : produits laminés livrés
à plat ; leur longueur est une dimension de livraison.
On distingue les tôles minces, dont l'épaisseur est
généralement inférieure à 10 mm, et
les tôles fortes. On les appelle aussi bandes droites ou
bandes à plat.
Bandes : ce sont les mêmes produits que les tôles minces livrés enroulés en rouleaux.
8. Technologies de mise en oeuvre
8.1 Usinage
Les alliages cuivreux contenant du plomb possèdent une
excellente aptitude au travail par outils coupants et en particulier
les laitons qui servent de référence en la matière.
Pour ces alliages, les paramètres usuellement utilisés
sont les suivants :
* Angles des outils de chariotage :
- dépouille frontale 6°
- dépouille latérale 6°
- angle de dégagement 2°
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90 à 140 |
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1% à 1,5% du Diam | |||
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0,1 à 0,15 | 0,1 à 0,2 | ||
8.2 Traitements thermiques
Le tableau ci-dessous donne les plages de températures à utiliser pour différents alliages et différents types de traitement thermique.
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solution |
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refroidissement lent |
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8.3 Procédés d'assemblage
Soudage
Le cuivre et ses alliages présentent un certain nombre
de caractéristiques dont il faut tenir compte :
- la grande conductivité thermique impose des puissances
de chauffe importantes et fréquemment un préchauffage
des pièces,
- la grande fluidité du métal liquide exige parfois
un soutien à l'envers de la soudure,
- le métal liquide a une aptitude à dissoudre les
gaz qui entraîne des risques de soufflures lors de la solidification,
- l'aptitude du cuivre liquide à dissoudre son propre oxyde
qui conduit à une fragilisation, soit par formation de
vapeur d'eau si la flamme du chalumeau est réductrice,
soit par concentration d'oxydes aux joints de grains lors de la
solidification,
- les laitons contenant de 60 à 65 % de cuivre ont une
zone de fragilité à chaud entre 300 et 500°C,
- les cupro-aluminiums ont une zone de fragilité à
chaud entre 450 et 700°C,
- un certain nombre d'alliage ont des éléments volatils
aux températures de soudage ; c'est le cas du CuTe qu'il
vaut mieux braser, et des laitons, maillechorts et chrysocales
pour lesquels il faut utiliser une flamme oxydante pour limiter
la volatilisation du zinc,
- les alliages à durcissement par traitement thermique
perdent ce durcissement dans la zone soudée.
Les procédés de soudage couramment utilisés sont :
* le soudage à l'arc sous gaz inerte, procédé
TIG (Tungsten Inert Gas) pour les épaisseurs inférieures
à 6 mm, et procédé MIG (Metal Inert Gas),
* le soudage au chalumeau oxyacétylénique,
* le soudage au chalumeau à plasma pour les très
faibles épaisseurs,
* le soudage par bombardement électronique pour les fortes
épaisseurs,
* le soudage par induction,
* le soudage par pression et friction,
* le soudage par ultrasons.
Brasage
Les températures auxquelles sont soumis les produits
à assembler par brasage étant notablement plus faibles
que pour le soudage, les précautions à prendre sont
relativement peu nombreuses ; il reste cependant à prendre
en compte que :
- la conductivité thermique élevée du cuivre
impose une puissance de chauffe relativement importante,
- les zones de fragilité à chaud des laitons et
des cupro-aluminiums sont à des températures qui
sont atteintes lors du brasage,
- les températures atteintes détruisent partiellement
le durcissement structural des alliages trempés-revenus,
Pour le brasage tendre, pour lequel le métal d'apport a une température de fusion inférieure à 450°C, on utilise des alliages étain-plomb, plomb-étain-argent, étain-argent ou étain-antimoine.
Pour le brasage fort, on utilise des alliages cuivre-argent, cuivre-argent-cadmium-zinc, des laitons complexes ou du cuivre au phosphore.
Les produits en cuivre ont une surface fragile. Ils sont sensibles
aux coups et aux rayures.
De plus, les produits ne sont pas parfaitement rigides et peuvent
être déformés. Il est indispensable de les
manipuler et de les stocker en prenant un certain nombre de précautions
:
- éviter tous les chocs avec des pièces métalliques,
- ne pas stocker les produits directement sur d'autres produits,
- éviter les frottements entre produits,
- si le stockage vertical n'est pas possible, il faut stocker
les produits horizontalement avec suffisamment de supports pour
que les produits ne se déforment pas.
Les produits en cuivre, même s'ils sont protégés
par la couche d'oxyde en surface, sont sensibles à la corrosion
:
- les produits qui ont été mouillés doivent
être parfaitement séchés avant stockage,
- il faut éviter tout phénomène de condensation
; celle-ci arrive lorsque les produits viennent de l'extérieur
où il fait froid et qu'on les stocke dans un hall chauffé.
Il faut déballer les produits et les laisser se réchauffer
doucement dans un endroit aéré,
- la couche d'oxyde naturelle a une épaisseur de l'ordre
de 50 Å (5.10-6 mm) ; elle est attaquée par les acides
forts, acide chlorhydrique, sulfurique ou nitrique.
Dans le contact avec d'autres métaux en présence d'un liquide conducteur qui sert d'électrolyte, comme l'eau de mer, c'est le plus souvent l'autre métal qui est attaqué, mais les situations varient d'un alliage cuivreux à l'autre ; le tableau ci-dessous donne les différences de potentiels, en mV, entre le cuivre pur et divers alliages et métaux ; lorsque cette différence est positive, c'est le cuivre qui est attaqué ; le risque de corrosion existe lorsque cette différence est supérieure à 150 mV.
| Graphite | 610 | CuNi30 | 150 | Laitons | -10 |
| Platine | 570 | Nickel | 140 | CuAl | -40 |
| Or | 440 | CuNi20 | 110 | Aciers | -310 |
| Titane | 300 | CuNi10 | 90 | Aluminium | -500 |
| Acier Inox passivé | 290 | Maillechorts | 80 | Chrome | -550 |
| Argent | 230 | Bronzes | 70 | Zinc | -680 |
| CuAlNi | 150 | Etain | 20 | Magnésium | -1280 |
Résistivité du cuivre fonction des impuretés:
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1.6753 10E-8 | 1.7241 10E-8 W.m |
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| Ag |
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| Zn |
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| O |
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| Te |
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| Zr |
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| Pb |
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| Cd |
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| V |
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| Ni |
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| Sn |
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| Mg |
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| Al |
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| Sb |
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| Ge |
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| Mn |
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| Cr |
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| Si |
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| As |
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| Fe |
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| Co |
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| P |
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| S |
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| Ti |
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Usinabilité des alliages cuivreux :
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CuZn40Pb3 |
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CuZn36Pb3 CuSn8 à 11 Pb4 à 11 |
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CuNi10Zn42Pb2 CuSn5Pb20 CuSn9Pb15 |
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CuTe CuZn39Pb2 |
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CuSn4Te CuPb1 CuNi14Zn42Mn2Pb2 CuNi12Zn29Pb2 CuZn9Sn3Pb5 |
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CuS CuZn38Pb1 CuNi10Zn25Pb1.5 CuNi18Zn19Pb1 |
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CuZn9Pb2 CuZn34Pb1 CuZn36Pb2 CuZn43Pb1 CuZn39FeMnSi |
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CuZn40Pb |
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CuZn40 |
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CuZn37 CuZn22Al2 CuNi2Si CuSi3Mn1 CuZn28 à 33 CuZn28Sn1 |
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CuNi10 à 25 Zn15 à 27 |
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CuZn5 à 20 |
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CuCr1 ; Cu-a1 ; Cu-b ; Cu-c1 ; CuAg ; CuCd ; CuCd1Sn ; CuZr ; CuBe2CoNi ; CuSn2 à 10P ; CuAl5 à 9 ; CuAl10Fe2à 5 Ni2 à 5 ; CuNi5 à 30 FeMn ; CuSn9 à 13P ; CuAl8 à 11 Fe1.5 à 5.5 Ni1 à 5.5 |