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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 430 − 1 Propriétés du cuivre et de ses alliages par Dominique ARNAUD Chef du Département des Laboratoires d’Études au Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF) Jean BARBERY Ingénieur des Arts et Manufactures Chef du Service Métallurgie au Centre de Recherche de la Société Tréﬁmétaux Roger BIAIS Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers Ancien Ingénieur au Centre de Recherche de la Société Tréﬁmétaux Bernard FARGETTE Docteur-Ingénieur Ingénieur au Centre de Recherche de la Société Tréﬁmétaux et Pierre NAUDOT Ingénieur des Arts et Manufactures Ingénieur en Chef au Centre de Recherche de la Société Tréﬁmétaux 1. Principales classes de cuivre et de ses alliages industriels ........ M 430 - 2 1.1 Cuivres purs avec et sans oxydules........................................................... — 2 1.2 Cuivres faiblement alliés............................................................................. — 4 1.3 Alliages monophasés α .............................................................................. — 6 1.4 Alliages à durcissement par précipitation................................................. — 13 1.5 Laitons biphasés α + β. Laitons au plomb................................................. — 16 1.6 Cupro-aluminiums complexes ................................................................... — 18 1.7 Alliages cuivreux moulés............................................................................ — 19 2. Comparaison des principales propriétés d’usage des alliages de cuivre..................................................................................................... — 23 2.1 Propriétés élastiques et électriques associées.......................................... — 23 2.2 Conductivités électrique et thermique....................................................... — 24 2.3 Corrosion aqueuse du cuivre et de ses alliages........................................ — 26 2.4 Oxydation sèche .......................................................................................... — 30 2.5 Tenue mécanique aux hautes, moyennes et basses températures......... — 30 2.6 Alliages à propriétés électriques et magnétiques spéciales.................... — 32 2.7 Propriétés de mise en œuvre du cuivre et de ses alliages....................... — 32 2.8 Usinabilité. Résistance à l’usure................................................................. — 37 2.9 Aptitude au soudage et au brasage du cuivre et de ses alliages ............ — 39 2.10 Placage du cuivre et de ses alliages........................................................... — 40 3. Phénomènes métallurgiques particuliers ......................................... — 41 3.1 Superplasticité des alliages cuivreux biphasés ........................................ — 41 3.2 Pseudo-élasticité d’alliages cuivreux à 100 % de phase β ...................... — 41 3.3 Effet mémoire de forme d’alliages Cu-Zn-Al à 100 % de phase β .......... — 42 3.4 Déformation orientée de l’alliage Cu-Be lors du revenu.......................... — 42 3.5 Dissolution mécanique des précipités ﬁns dans les alliages cuivreux ... — 43 3.6 Rétention d’écrouissage, à l’aide de dispersions de seconde phase...... — 43 3.7 Décomposition spinodale dans les alliages Cu-Ni-X................................ — 44 3.8 Traitements thermiques à tiède des alliages monophasés α écrouis..... — 45 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 430 PROPRIÉTÉS DU CUIVRE ET DE SES ALLIAGES _______________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 430 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques a panoplie des alliages cuivreux est extrêmement riche par la variété et la combinaison des additions employées et, aussi, par leurs proportions souvent élevées (50 % au maximum toutefois). Avant la guerre 1939-1945, au moins 300 alliages différents étaient couramment fabriqués, sans compter bien d’autres compositions qui n’ont guère dépassé un stade expérimental. Depuis, on assiste à un effort continu de rationalisation, technique et économique, avec une polarisation vers les alliages présentant une combinaison de propriétés les rendant particulièrement performants pour une ou plusieurs applications majeures, avec l’abandon de ceux d’un intérêt marginal. La conductivité relative C est le pourcentage de conductivité du matériau considéré par rapport à un cuivre de référence de résistivité égale à 1,724 1 × 10–8 (ou de conductivité 58,0 MS/m). Cette grandeur parti- culière aux cuivreux s’exprime en % IACS : L 20 cm ⋅ C (% IACS) 1,724 1 ( cm) ⋅ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 100 × = 1. Principales classes de cuivre et de ses alliages industriels Dans ce paragraphe, nous utiliserons la classiﬁcation suivante, malgré la possibilité de classer certains alliages en deux et même trois catégories différentes : — cuivres avec et sans oxydules ; — cuivres faiblement alliés avec Ag, P, As, B, Te, Cd, Sn ou Mg ; — alliages monophasés α chargés en Ni, Zn, Al, Sn, Si ou Mn, éventuellement en combinaison ; — alliages à durcissement par précipitation avec additions de Be, Cr, Fe, Co, Zr, Ti, etc. ; — laitons biphasés α + β ; — cupro-aluminiums complexes ; — alliages de fonderie. 1.1 Cuivres purs avec et sans oxydules Les deux types principaux de cuivre pur, l’un avec 0,02 à 0,06 % d’oxygène (sous forme de globules d’oxyde, Cu 2 O) et l’autre sans oxygène, se conforment aux caractéristiques suivantes : — teneur en Cu pour les nuances sans oxygène ; — conductivité électrique > 100 % IACS (ou résistivité ). Nota : aux teneurs habituelles, l’argent n’affecte pas les propriétés d’usage de ces cuivres et ne justiﬁe pas de séparation spéciale, coûteuse (§ 1.2.1). 1.1.1 Cuivre à oxydules Il doit son existence à l’absorption rapide par le cuivre liquide, pendant son afﬁnage au feu, d’oxygène et d’hydrogène dont les teneurs sont ajustées de telle sorte qu’il se forme des porosités de vapeur d’eau lors de la coulée de solidiﬁcation, permettant ainsi de compenser le retrait de solidiﬁcation sans qu’il soit nécessaire de nourrir progressivement. Mais il subsiste alors un excès d’oxygène qui produit un réseau interdendritique de l’eutectique Cu + Cu 2 O (article Métallurgie du cuivre [M 2 240] dans le présent traité). Ainsi, les barres à ﬁls ( wire-bars ), coulées à l’horizontale en manège automatisé, solidiﬁent à point (sans contraction ni gonﬂe- ment notables) et permettaient d’obtenir par laminage à chaud sur des trains à ﬁls des couronnes de ﬁls de cuivre, obtenus maintenant par coulée et laminage continus. L’oxyde est dispersé en ﬁns globules, les porosités de vapeur sont subdivisées et se contractent pour devenir submicroscopiques. On distingue deux nuances AFNOR (NF A 02.009) : • Cu/a2 ( ) : cuivre affiné au feu, seulement ; • Cu/a1 ( ) : cuivre ayant subi une ultime purification par électrolyse, mais où l’on retrouve les porosités H 2 O et les oxydules Cu 2 O formés lors de la fusion des cathodes purifiées et de leur coulée en produits transformables : billettes, plaques, lingots. 1.1.2 Cuivre sans oxygène Les deux nuances AFNOR, Cu/c1 et Cu/c2, sont normalement fabriquées par fusion et coulée de cathodes de cuivre sous atmo- sphère réductrice, par exemple (N 2 + CO) car ces deux gaz sont inso- lubles dans le cuivre liquide. Nota : le cuivre fondu absorbe rapidement de l’oxygène au simple contact de l’air ; on trouve ainsi, à la surface supérieure des barres à ﬁls, une zone superﬁcielle de métal à 0,39 % d’oxygène environ qui gèle sous forme de l’eutectique Cu + Cu 2 O (à éliminer par écroûtage, pour certaines applications). Remarques sur certains termes employés : plusieurs noms d’alliages cuivreux, d’origine historique ou commerciale, n’indiquent nullement leurs nature et composition mais sont toutefois bien établis, voici les plus courants : — laitons : l’addition principale, le zinc (5 à 45 % environ), est sensiblement moins chère que le cuivre ; les termes « 1 er titre et 2 e titre », se rapportent respectivement aux laitons mono- phasé α et biphasé α + β ; — maillechorts et chrysocales (en anglais, nickel-silvers et gun-metals ) : il s’agit aussi d’alliages Cu-Zn mais additionnés respectivement de nickel et d’étain ; ils sont connus pour leur ressemblance à l’argent et à l’or (maillechort provient de ses inventeurs Maillot et Chorier ; chrysocale vient du grec khrusos = or et khalkos = cuivre) ; — bronzes : ce nom sera réservé aux cupro-étains mais, sur le plan de la normalisation, le terme bronze s’applique à tout alliage contenant au moins 65 % de cuivre, éventuellement même sans étain ; il subsiste donc les appellations courantes : bronzes d’aluminium, bronzes au silicium, bronzes au manga- nèse, mais nous préférons les termes cupro-aluminiums, cupro- siliciums et laitons HR (où HR signifie à haute résistance mécanique) ; — cupro-alliages : les termes cupro-aluminiums, cupro- bérylliums, cupro-nickels, etc. ont l’avantage d’identifier l’addi- tion principale de l’alliage. +Ag ( ) 99,85 % et 99,95 % ρ20 1,724 1 µΩ cm ⋅ Cu 99,85 % Cu 99,90 % _______________________________________________________________________________________________ PROPRIÉTÉS DU CUIVRE ET DE SES ALLIAGES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 430 − 3 La nuance Cu/c2, recommandée pour les applications électro- niques comportant notamment des soudures cuivre-verre, doit cette aptitude à une teneur basse en impuretés ( ppm en masse) : elle est obtenue par tri dans des lots de Cu/c1. 1.1.3 Propriétés communes Tous ces cuivres renferment 100 à 250 ppm en masse d’impuretés (As, Bi, Fe, Ni, P , S, Sb, Se, Te, etc., sans compter l’oxygène), mais la nature et la quantité de chaque impureté varient sensiblement avec l’origine du minerai et uploads/Industriel/ proprietes-du-cuivre-et-de-ses-alliages-pdf.pdf