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NOM : |
IV.
CUIVRE ET ALLIAGES |
PJ |
Utilisé depuis plus de 6 000 ans, c'est la plus
importante famille de métaux non ferreux après l'aluminium. Il existe plus de
200 alliages de cuivre, principales familles : laitons (Cu + Zn), bronzes
(Cu + Sn), cupronickels (Cu + Ni), cuproaluminiums (Cu + Al) et maillechorts (Cu + Ni + Zn).
Principaux
alliages de cuivre Tableau 9
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cuivre (Cu) + étain (Sn) = bronze |
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cuivre (Cu) + zinc (Zn) = laiton |
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cuivre (Cu) + aluminium (Al) = cuproaluminium |
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cuivre (Cu) + nickel (Ni) = cupronickel |
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cuivre (Cu) + nickel (Ni) + zonc (Zn) = maillechort |
Il présente un bel
aspect décoratif, le cuivre pur est rouge (plus ou moins foncé), l'addition de
zinc donne une couleur jaune et une addition de nickel une couleur argent. A
l'état pur, il est l'épine dorsale du génie électrique.
Les cuivres et alliages ne sont pas des métaux structuraux
(sont peu utilisés pour faire des bâtis ou des pièces de structure...) comme
l'acier ou l'aluminium.
Figure 12
Désignation (ISO
1190-1) :
symbole chimique du cuivre (Cu) suivi des symboles chimiques et teneurs des
principaux éléments d'addition (par ordre décroissant).
Exemple :
CuZn27Ni18 (maillechort avec 27 % de zinc et 18 % de nickel).
Remarque :
il existe aussi un système de désignation numérique comprenant six caractères,
voir norme NFEN 1412.
Figure 13
1. Principales caractéristiques du cuivre
Le cuivre est plus lourd que l'acier (densité 8,9), fond à 1083°C,
a une grande résistance à la corrosion et une plasticité ou une ductilité élevée
(très malléable : A% jusqu'à 50%).
Sa grande conductivité électrique le rend indispensable dans les
industries électriques et électroniques et sa grande conductibilité thermique
est un atout pour la transmission de la chaleur. Seul l'argent fait mieux pour
ces deux propriétés.
Sa structure cristalline est cubique à faces centrées et il
présente des propriétés fongicides.
Il possède une bonne aptitude au soudage et au brasage.
Les cuivres et alliages ne peuvent pas être
traités thermiquement (sauf ceux au béryllium). Néanmoins, la résistance (Rr)
peut être augmentée par écrouissage à froid et la ductilité restaurée par un
revenu.
Figure 14
2. Les cuivres purs
Le cuivre utilisé pur (usages électriques principalement mais aussi thermiques...) est soit un cuivre affiné (endurant, plus fragile, plus cassant), soit un cuivre désoxydé ou débarrassé de toute trace d'oxygène (moins fragile et très haute conductivité). L'addition d'argent, d'arsenic, cadmium et zirconium améliore diverses propriétés (dureté...) sans modifier les propriétés de conductivité électrique de manière significative.
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Caractéristiques indicatives du cuivre pur Tableau 10 |
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Etat |
Taux
d'écrouissage (%) |
Résistance
à la rupture Rr Mpa ou
N/mm² |
Limite Elastique
Re Mpa ou
N/mm² |
Allongement
pour cent A% |
Dureté
Brinel HB |
|
recuit |
0 |
23 |
7 |
45 |
50 |
|
1/4 dur |
10 |
27 |
21 |
25 |
70 |
|
1/2 dur |
25 |
30 |
25 |
14 |
87 |
|
4/4 dur |
50 |
35 |
32 |
6 |
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DESIGNATIONS
DES CUIVRES PURS (NON ALLIES) (Symbole
Cu + Tiret de séparation + lettres d'indications) Tableau 20 |
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Cu-ETP = affiné électrolytiquement, non désoxydé,
à conductivité garantie Cu-FRHC = affiné thermiquement, non désoxydé, à
conductivité garantie Cu-FRTP = affiné thermiquement, à conductivité non
garantie Cu-DHP = affiné thermiquement ou
électrolytiquement, à fort phosphore résiduel Cu-DLP = affiné thermiquement ou
électrolytiquement, à faible phosphore résiduel Cu-OF = désoxydé Cu-OFE = désoxydé, à haute pureté |
3. Les laitons
C'est la famille la plus utilisée, l'addition de zinc,
jusqu'à 42%, diminue le prix de base, augmente la résistance à la rupture (Rr)
et l'allongement pour cent A%, ce qui favorise l'emboutissage (A% = 60% avec
31% de Zn) et diminue la température de fusion, ce qui facilite le moulage.
Une addition supplémentaire de plomb, de 2 à 3%, augmente
considérablement l'usinabilité. Les laitons ainsi obtenus, dits laitons de
décolletage, servent de référence pour évaluer l'usinabilité des autres
matériaux.
Figure
15
4. Les bronzes
L'étain (Sn), addition de 4 à 22% (jusqu'à 25% pour les cloches), a
un rôle comparable au zinc mais avec une action plus forte ; il est
également plus coûteux.
Une addition de phosphore (P < 1%) améliore les caractéristiques
mécaniques, les propriétés antifriction, l'aptitude au moulage et a un rôle désoxydant.
Les bronzes phosphoreux constituent le groupe le plus important.
L'addition de plomb (Pb) améliore l'usinabilité et l'addition de
zinc, diminue le prix de revient (bronzes chrysocales).
Propriétés : résistance à la corrosion, bonnes
qualités frottantes et aptitude au moulage. Les bronzes se travaillent moins
bien que les laitons (usinage, emboutissage...) mais donnent des moulages plus
sains.
5. Les cuproaluminiums (ou "bronzes d'aluminium")
Ils sont surtout utilisés en fonderie. L'addition
d'aluminium, entre 10 et 11%, donne des alliages ayant de bonnes
caractéristiques mécaniques et une bonne résistance à la corrosion
(applications en génie maritime). Ils sont souvent utilisés avec une addition
de fer.
6. Les cupronickels
De couleur "blanche" à partir de 20% de nickel,
ils sont très malléables. L'addition de nickel améliore les propriétés
mécaniques, la résistance à la corrosion et la résistivité électrique.
Utilisations : pièces de monnaie ( 25% Ni), tubes de condenseurs et
d'échangeurs (avec 30% Ni), résistances électriques (constantes : 45%
Ni)...
7. Les maillechorts
Moins coûteux que les cupronickels, on peut les considérer
comme des laitons avec addition de nickel. Ils sont plus résistants que les
laitons à la fois à la corrosion et mécaniquement. Les principales nuances sont
obtenues avec 18% de nickel. Ils peuvent être chromés, nickelés et argentés.
Utilisations : articles ménagers, pièces
d'orfèvrerie et de décoration, argenterie, appareillages électriques (relais,
contacts...), etc.
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Alliages de cuivre pour corroyage : extrait de
nuances Tableau 11 |
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Désignation |
Etat |
Résistance à la rupture Rr (Mpa) |
Alongement pour cent A% |
Dureté HV |
Observations |
|
|
Laitons (existent aussi CuZn5, CuZn30, CuZn36...;
voir NF A 51-101...) |
||||||
|
CuZn10 |
H11 H12 H13 H14 |
270-340 320-390 350-420 390-450 |
|
68-102 90-120 102-125 118-135 |
couleur proche de celle de
l'or; bijouterie fantaisie; décoration; quincaillerie; fils... |
|
|
CuZn15 |
H11 H12 H13 H14 |
300-370 350-420 390-460 430-500 |
|
75-108 95-125 117-142 138-158 |
couleur proche de celle de
l'or; bonne malléabilité; bijouterie fantaisie; décoration; quincaillerie;
cartoucherie; construction électrique; bâtiment. |
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|
CuZn20 |
H11 H12 H13 H14 |
330-400 380-450 420-490 460-530 |
|
80-112 103-134 122-148 138-158 |
mêmes propriétés que
CuZn15; objets de décoration, instruments de musique; cartouches, munitions;
canalisations |
|
|
CuZn33 |
H11 H12 H13 H14 |
330-400 380-450 430-500 470-540 |
64* 7* |
85-120 110-140 132-158 148-168 |
- le plus malléable (emboutissage
profond, repoussage); lustrerie, instruments de musique, douilles,
cartouches, rivets; couleur jaune... - variantes: CuZn30 et
CuZn36 |
|
|
CuZn40 |
H11 H12 H13 H14 |
360-430 400-470 450-520 510-590 |
|
105-135 120-150 140-165 150-175 |
nuance la plus économique;
bonne malléabilité et bonne usinabilité; architecture, serrurerie, lustrerie,
sanitaires, pièces matricées. |
|
|
CuZn39Pb2 |
H12 H13 H14 |
400-500 450-550 500-600 |
2-20* |
135-160 145-170 150-180 |
- pour matriçage; apte au
découpage; bonne usinabilité; température de forgeage 750°C; horlogerie,
roues dentées, platines, vis... - variantes: CuZn35Pb2 et
CuZN38Pb2 |
|
|
CuZn40Pb3 |
H |
370-500 suivant d |
4-22 suivant d |
|
laiton de décolletage
caractérisé par une excellente usinabilité, non adapté aux déformations à
froid. |
|
|
CuZn36Pb3 |
H |
320-450 suivant d |
7-28 suivant d |
|
laiton de décolletage
caractérisé par une très bonne usinabilité et pouvant supporter une faible
déformation à froid (sertissage...). |
|
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Bronzes |
||||||
|
CuSn6P |
O H12 H14 |
330-420 460-540 620-700 |
50 20 6 |
90-120 190-220 |
- bronze phosphoreux;
ressorts, membranes élastiques; joints élastiques... - variantes: CuSn4P; CuSn9P |
|
|
CuSn3Zn9 |
O H12 H14 |
310-400 460-560 610-660 |
40 15 4 |
75-105 140-170 190-210 |
- bronze chrysocale; moins
coûteux (Zn remplace en partie Sn); ressorts, joints... - variante: CuSn5Zn4 |
|
|
CuSn4Zn4Pb4 |
O H12 H14 |
320-370 400-460 500-600 |
25 3 |
80-100 125-155 160-185 |
bonne usinabilité,
visserie, boulonnerie courante... |
|
|
Maillechorts |
||||||
|
CuNi10Zn27 |
H11 |
420 |
27 |
105 |
architecture, serrurerie,
lustrerie, orfèvrerie, horlogerie.. |
|
|
CuNi18Zn20 |
H14 |
580 |
5 |
180 |
architecture, serrurerie,
lustrerie, orfèvrerie, horlogerie, articles de ménage, appareils
électriques.. |
|
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Cuivres au béryllium |
||||||
|
CuBe2 |
T |
1310 |
4 |
|
haute résistance mécanique limite élastique: Re =
1200 MPa |
|
|
* indicatif |
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Alliages de cuivre : extrait des nuances pour la
fonderie Tableau 12 |
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Etat |
Résistance à la rupture Rr MPa |
Limite élastique Re MPa |
Allongement pour cent A% |
Dureté Brinell HBS |
Observations
|
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Laitons |
||||||
|
CuZn19Al6 |
Y20 |
750 |
500 |
8 |
220 |
laiton haute résistance.
Hélices marines, engrenages |
|
CuZn23Al4 |
Y20 |
500 |
250 |
8 |
160 |
laiton haute résistance.
Hélices marines, engrenages |
|
CuZn40 |
Y30 |
340 |
|
8 |
|
robinetterie industrielle
et sanitaire, robinets d'eau ou de gaz, siphons... |
|
Cupro-aluminiums |
||||||
|
CuAl9 |
Y30 |
500 |
|
20 |
130 |
génie maritime: pompes,
accastillages, hélices, échangeurs... |
|
CuAl10Fe3 |
Y20 Y30 |
500 650 |
180 250 |
18 20 |
- 160 |
applications mécaniques:
vis, papillons, fourchettes de boîtes de vitesses |
|
CuAl10Fe5Ni5 |
Y20 Y30 |
630 600 |
250 300 |
12 7 |
- 150 |
génie maritime: pompes,
accastillages, hélices, échangeurs... |
|
Bronzes |
||||||
|
CuPb5Sn5Zn5 |
Y20 Y30 |
200 250 |
90 100 |
12 12 |
|
bonnes étanchéité,
usinabilité, qualités frottantes (coussinets), robinetterie industrielle
(vannes, raccords..) |
|
CuSn12 |
Y20 Y30 |
240 270 |
130 150 |
5 3 |
|
bonnes qualités
frottantes, robinetterie industrielle... |
|
CuPb20Sn5 |
Y20 Y30 |
150 180 |
60 80 |
5 7 |
|
matériau antifriction pour
coussinets, charges modérées (dureté minimum de l'arbre 200 HB) |
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Cupronickels et maillechorts |
||||||
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CuNi30 |
Y20 Y70 |
340 340 |
120 120 |
18 18 |
80 80 |
cupronickel, inaltérable à
l'air, bonne tenue en eau de mer |
|
CuZn24Ni18 |
|
|
|
|
|
pièces d'architecture,
industries alimentaires |
|
CuZn27Ni10 |
Y30 |
- |
- |
- |
70 |
maillechort utilisé en
orfèvrerie (couleur argent), industries alimentaire et chimique... |