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Cuivre et alliages de cuivre

Le cuivre est le métal le plus ancien utilisé par l'homme. Les principaux pays producteurs et exportateurs de minerai de cuivre sont le Chili, le Pérou et l'Australie. Ses principales caractéristiques sont :

Cuivre

Il est utilisé pur ou faiblement allié (au chrome, au béryllium...) ou allié au zinc pour donner du laiton, à l'étain pour former du bronze. De nombreux autres alliages sont disponibles: les cupro-alliages (cuproaluminiums, cupronickel, maillechorts - alliage de cuivre, de nickel et de zinc)...
Le cuivre pur est peu utilisé par les usineurs car les caractéristiques mécaniques sont trop faibles pour l'usinage: il est trop mou. On améliore donc l'usinabilité du cuivre avec des additions d'alliage comme le zinc pour former le laiton (mélange de cuivre et zinc) ou l'étain pour former le bronze (mélange de cuivre et d'étain).

Le cuivre devient mou à 830° et son point de fusion est de 1085°.
Sa densité est de 8,94. On l'appelle également le métal rouge en raison de sa couleur rouge-brun. Oxydé, il devient vert-de-gris.


Catégories de cuivre

On peut classer les cuivres en plusieurs catégories : les cuivres purs, les cuivres faiblement alliés et les alliages de cuivre (bronze et laiton...).

Le cuivre pur

Pour obtenir toutes les propriétés du cuivre recherchées par les industriels, le minerai de cuivre passe par différentes opérations. L'obtention du cuivre haute pureté s'obtient par affinage par procédé électrolytique ou procédé thermique. Le plus courant est l'affinage électrolytique pour obtenir une teneur en cuivre de 99,9%. Ce cuivre raffiné est ensuite refondu, ce qui donne plusieurs catégories de cuivre :

Les cuivres contenant de l'oxygène

Dans cette catégorie, on distingue les cuivres affinés par procédé électrolytique (Cu-a1) des cuivres affinés par procédé thermique (Cu-a2, Cu-a3, plus rares et avec plus d'impuretés). Le plus courant est le Cua1 qui est affiné par procédé électrolytique avec une teneur minimale de cuivre de 99,90%. Ce cuivre électrolytique correspond à la désignation ISO Cu-ETP (Electrolytic Tough-Pitch) avec une forte conductivité électrique (100% IACS). On le trouve dans le commerce sous forme de méplats en longueur de 6 mètres, en barres rondes de 3 à 4 mètres, en barres carrés de 3 à 4 mètres et en tôles laminées à froid R240.

Les cuivres sans oxygène (désoxydé) mais avec phosphore résiduel

Dans cette catégorie, le cuivre est affiné électrolytiquement ou thermiquement. La désoxydation du cuivre est obtenue en fonderie par addition de phosphore. On obtient la nuance Cu-b1 titrant à 99,90% de cuivre qui correspond à la désignation ISO Cu-DHP (Phosphorus Deoxidised High Residual). C'est une nuance de cuivre utilisée notamment par les tôleries avec une bonne soudabilité, une bonne aptitude au pliage et une conductivité électrique réduite par rapport à un Cu-a1 en raison de la présence de phosphore. Sa conductivité électrique est entre 70 et 90% IACS. Il est proposé dans le commerce à l'état écroui R240 ou recuit R220 en format 2000x1000.

Les cuivres exempts d'oxygène et sans phosphore

Dans cette catégorie, on trouve deux nuances de cuivre haute-pureté avec une teneur minimale de cuivre de 99,95% : la nuance Cu-c1 qui correspond à la désignation ISO Cu-OF (Oxygen Free) et la nuance Cu-c2. Les nuances Cu-a1, Cu-c1 et Cu-c2 ont la même résistivité électrique de 1,7

Les cuivres faiblement alliés

On rajoute au cuivre d'autres éléments en faible quantité, en général moins de 2%, souvent pour améliorer les caractéristiques mécaniques tout en conservant les caractéristiques de conductivité électrique et thermique et la résistance à la corrosion. Dans cette famille, on retrouve les cuivres au chrome, les cuivres au zirconium, les cuivres alliés au béryllium, les cuivres avec addition de tellure, les cupro-nickels...

Les cuivres au chrome et cuivre-chrome-zirconium : CuCr, Elmedur XS, Elmedur X, CuCr1Zr... On rajoute environ 1% de chrome au cuivre pour plus de dureté, de stabilité aux températures avec une excellente conductivité électrique. Les applications sont essentiellement électriques. Les cuivres alliés au chrome ou au zirconium ont des propriétés mécaniques améliorées par durcissement structural (traitement thermique de mise en solution, suivi d'une trempe et d'un revenu).

Les cuivres au béryllium : Le CW101C (CuBe2) par exemple est un cuivre allié au béryllium pour des pièces avec les caractéristiques mécaniques les plus élevées des alliages de cuivre et une conductivité électrique plus importante que le bronze. La conductivité électrique est de 25% IACS. Sa résistance est de 1300 MPa.
Les cuivres au béryllium sont des alliages de cuivre et de béryllium : le plus répandu d'entre eux est le CuBe2 avec un pourcentage massique de 1,8 à 2% de béryllium. Il est utilisé dans l’industrie de la connectique, de l’électrotechnique et de l’horlogerie. Hautement toxique lorsqu’il est inhalé pendant plusieurs années et à fortes doses, il est donc faiblement dosé et souvent remplacé par d’autres matériaux.

En savoir plus sur les alliages de cuivre au béryllium...

Les cuivres au tellure : Le CuTe est un cuivre au tellure pour le décolletage. Usinage rapide de pièces avec une bonne conductivité électrique et thermique

Les cupronickels : l’alliage du cuivre et du nickel est utilisé pour ses qualités anti-corrosion et anti-fouling notamment dans la fabrication des pièces de monnaie avec 25% de nickel, et sous forme de tubes pour le transport de gaz et la construction d'échangeurs thermiques : CuNi10 et CuNi30.
Le CuNi3Si (CW 112C) est un cupronickel silicium qui a une très forte résistance à la corrosion, une résistance et une dureté élevées avec une forte conductivité électrique et thermique.
Encore plus allié avec 10% de nickel, il existe le CW 352 H ou CuNi10Fe1Mn également appelé CuNi 90-10.
Avec 30% de nickel, le CW 354 H (CuNi30Mn1Fe ou cupronickel 70-30) pour des applications marines (sous-marins, porte-avions...) pour sa forte résistance à la corrosion notamment dans les univers salins et ses propriétés anti-fouling. Il est utilisé également pour des échangeurs thermiques qui utilisent l'eau de mer.

Les cupro-aluminiums : le CuAl10Fe5Ni5 (UA10N) par exemple est un cupro-aluminium, avec de hautes propriétés mécaniques, ayant une dureté de 160HB (en comparaison, la dureté du CuSn12 est de 100HB) utilisé lorsque l’on recherche une excellente résistance à la corrosion.

Les laitons

Les laitons sont des alliages de cuivre et de zinc aux proportions variables avec parfois des additions d’autres éléments comme le plomb. La teneur en zinc varie de 15 à 40%. Sa densité est de 8,47. Le laiton est facilement usinable mais relativement fragile. Il est très malléable (A% jusqu’à 50%).

Il est utilisé notamment dans le domaine du décolletage (fabrication de petites pièces tournées en très grandes séries) et dans le domaine du matriçage à chaud.
60% des barres laiton sont utilisées dans le domaine de la robinetterie industrielle (raccords, valves, vannes…), le reste dans le domaine électrique, automobile, électronique, serrurerie, décoration (bijouterie, accessoires maroquinerie, quincaillerie...).

L’alliage de décolletage le plus courant est le CuZn40Pb3. L’alliage de matriçage le plus répandu, avec une température de matriçage de 750°, est le CuZn39Pb3 avec environ 58% de cuivre, 3% de plomb et le reste de zinc. Le laiton matricé offre de meilleures propriétés mécaniques que la fonderie. Le matriçage en creux permet la réalisation de formes complexes sans la contrainte de l’assemblage et avec une étanchéité parfaite pour le transport de fluides.
Notons également l’existence de laitons hautes résistance (HR) comme le CuZn23Al4 (UZ23A4) et le CuZn19Al6 (UZ19A6) avec une forte résistance à l’usure par frottement.

Restriction du plomb
Par le règlement n°836/2012 de la Commission Européenne du 18 septembre 2012, la teneur en plomb est limitée à 0.05% dans toutes les parties des articles de bijouterie et d'horlogerie. Ces restrictions mises en place dans le cadre de REACH sont entrées en vigueur en octobre 2012 avec une application en octobre 2013. Si l'on trouve encore du laiton 2ème titre CuZn39Pb2 chez les stockistes-revendeurs, les nuances de laiton sans plomb se sont développées.

Les bronzes

Les bronzes sont des alliages de cuivre et d’étain. On distingue les alliages de corroyage, avec un pourcentage d’étain souvent inférieur à 13%, des alliages de fonderie avec 20 à 25% d’étain pour la fabrication de cloches par exemple.

Les caractéristiques principales du bronze sont sa bonne résistance à l’usure par frottement à vitesses et charges importantes, son usinabilité et sa bonne conductivité thermique et électrique. Certains alliages de bronze ont une excellente résistance à la corrosion, notamment à l’eau de mer. Sa densité est fonction des alliages mais elle est en moyenne de 8,8.

Le bronze est utilisé dans de nombreuses industries pour la réalisation de coussinets d’arbres (bagues cylindriques), d’engrenages, d’écrous, de glissières à guidage, de coulisseaux, de guides de soupapes...
Parmi les nuances, on trouve fréquemment :

Notons également les bronzes frittés autolubrifiants (Metafram® BP25) pour bagues et coussinets avec ou sans collerette. Ces bronzes sont imprégnés d’huile, ce qui constitue une réserve de lubrifiant. Quand le coussinet s’échauffe, l’huile se dilate et une partie s’échappe des pores pour venir assurer le graissage. À l’arrêt, l’huile rentre dans le métal par action de capillarité.

Les normes définissant le cuivre et ses alliages

Pas évident de s'y retrouver dans la désignation des cuivres car des désignations nationales (AFNOR pour la France) sont encore utilisées par habitude alors que l'Europe représentée par le CEN (Comité Européen de Normalisation) a cherché à simplifier les normes pour faciliter le commerce européen.

Le système européen

C'est la norme DIN (Deutsches Institut fur Normung) EN 1412 de mai 1996 qui définit le système européen de désignation numérique du cuivre et des alliages de cuivre. La désignation comporte 6 caractères (CW 004 A, CW 101 C...).
Prenons l'exemple du CW 004 A plus connu également avec la désignation de la norme française Cu-a1. C'est le cuivre le plus utilisé.

La première lettre désigne le cuivre C, le W signifie corroyé (wrought en anglais), les chiffres de 000 à 999 qui suivent sont attribués de manière arbitraire. La dernière lettre, le sixième caractère, caractérise le type d'alliage :

Ainsi, dans notre exemple, la lettre A signifie cuivre.

Autres exemples :

La norme européenne NF EN 12167 d'août 2011 (Profilés et barres pour usages généraux) définit la composition, les caractéristiques et les tolérances dimensionnelles du cuivre et des alliages de cuivre. Le CEN (Comité Européen de Normalisation composé d'un président, d'une secrétaire et d'une trentaine de membres) révise régulièrement ces normes en supprimant certaines nuances ou en rajoutant de nouveaux matériaux en raison des exigences du marché (interdiction du plomb par exemple).
L'Europe a défini de manière encore plus précise le cuivre et alliages de cuivre en proposant des normes pour :

Ainsi les normes sont très nombreuses et aident à s'y retrouver en harmonisant les productions nationales pour faciliter les échanges entre les pays européens.

L'ancien système français

Dans la désignation du système européen du cuivre et de ses alliages, nous n'avons pas la composition chimique des alliages. Aussi, dans la pratique quotidienne sur notre territoire, nous sommes encore nombreux à utiliser l'ancien système français défini par la norme NF A51-050-Classification des Cuivres qui a l'avantage de donner la composition des alliages.
La désignation commence par le symbole chimique du cuivre Cu suivi à la fois :

Exemples:
CuZn39Pb3 laiton composé de 39% de zinc, 3% de plomb et le reste de cuivre
CuSn10Pb10 bronze composé de 10% d'étain, 10% de plomb et le reste de cuivre
CuAl10Ni5Fe4 cupro-aluminium composé de cuivre, d'aluminium, de nickel et de fer

Etats métallurgiques ou états de livraison

Le cuivre est très malléable et on peut facilement le déformer lorsqu'il est à l'état recuit (symbolisé par la lettre O). L'état recuit donne au cuivre une résistance mécanique minimale de 200 MPa.
Pour durcir le cuivre recuit, on le déforme à froid : on dit qu'il s'écrouit. Il existe différents degrés d'écrouissage symbolisés par la lettre H suivie de chiffres qui indiquent sa résistance mécanique. Ainsi, le degré d'écrouissage modifie les caractéristiques mécaniques (résistance mécanique, capacité à se déformer et dureté Vickers HV). Les caractéristiques mécaniques des cuivres dépendent non pas de l'alliage ou de sa forme (rond, plaque, tube, méplat) mais surtout du taux d'écrouissage (recuit, 4/4 dur, ½ dur...).

L'état complètement recuit est H14 avec une résistance mécanique minimale de 300 MPa (R300). Il existe des états intermédiaires notamment H12 avec une résistance mécanique comprise entre 260 MPa et 320 MPa.
H12 est aussi appelé demi dur (1/2 dur)
H14 est aussi appelé quart de dur (4/4 dur)

Aussi, quand on achète du cuivre, il est important de se faire préciser, selon l'utilisation que l'on en a, son état métallurgique. Les méplats en cuivre peuvent être avec des angles vifs ou rayonnés.
C'est la norme NF EN 1173 qui définit les états métallurgiques. La désignation de l'état métallurgique comporte une lettre suivie de 3 chiffres. La première lettre désigne :

Exemples:
Résistance à la traction 300 MPa : R300
Dureté Vickers 105 HV : H105



Article rédigé par Frédéric Crespel, spécialiste des métaux et fondateur de aciersspeciaux.fr

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