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NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 1 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 1 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). 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 Principaux alliages de cuivre Tableau 9 cuivre (Cu) + étain (Sn) = bronze cuivre (Cu) + zinc (Zn) = laiton cuivre (Cu) + aluminium (Al) = cuproaluminium cuivre (Cu) + nickel (Ni) = cupronickel cuivre (Cu) + nickel (Ni) + zonc (Zn) = maillechort NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 2 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 2 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 corro sion 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. Caractéristiques indicatives du cuivre pur Tableau 10 Etat Taux d'écrouissag e (%) 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 NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 3 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 3 DESIGNATIONS DES CUIVRES PURS (NON ALLIES) (Symbole Cu + Tiret de séparation + lettres d'indications) Tableau 20 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") NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 4 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 4 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. Alliages de cuivre pour corroyage : extrait de nuances Tableau 11 Désignation Etat Résistance à la rupture Rr (Mpa) Alongeme nt 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. 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 NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 5 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 5 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...). 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.. NOM : IV. CUIVRE ET ALLIAGES Page 6 CUIVRE ET ALLIAGES.doc http://joho.monsite.orange.fr/ Page 6 CuNi18Zn20 H14 580 5 180 architecture, serrurerie, lustrerie, orfèvrerie, horlogerie, articles de ménage, appareils électriques.. Cuivres au béryllium CuBe2 T 1310 4 haute résistance mécanique limite élastique: Re = 1200 MPa * indicatif Alliages de cuivre : extrait des nuances pour la fonderie Tableau 12 Etat Résistance à la rupture Rr MPa Limite élastique Re MPa Allongement pour cent A% Dureté Brinell HBS Observations 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 CuAl10Fe5N i5 uploads/s3/ cuivre-et-alliages-pdf.pdf