Cuivre et cuivres alliés

Le 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:

- l’excellente conductivité électrique qui a été prise pour référence dans les normes internationales depuis le début du XX ème siècle. C’est l’étalon, la référence en physique dans la mesure de conductivité électrique exprimée en pourcentage IACS (International Annealed Copper Standard). Elle est égale à 100% IACS. En comparaison, celle de l’aluminium est de 63%. Le cuivre est utilisé pour la fabrication de câbles, de fils conducteurs, de cosses, de connecteurs, de douilles, de transformateurs, de disjoncteurs et pour des composants électroniques. Les applications électriques correspondent à 50% de la consommation du cuivre en France.

- l’aptitude à être mis en oeuvre facilement grâce à une grande ductilité (capacité élevée d’allongement sans rupture pouvant aller jusque 45%). Il est facile à étirer en fils très minces ou laminer en tôle et en feuille. On fabrique également des tubes en cuivre pour des tuyaux de plomberie (vendus en barres de 5 mètres avec souvent une épaisseur de 1mm ou vendus en couronnes de 10, 25 ou 50 mètres). Les tubes pour canalisations (eau, chauffage, gaz…) correspondent à 30% de la consommation du cuivre en France.

- la conductivité thermique. Le cuivre étant un bon conducteur de la chaleur, on l’utilise pour chauffer ou refroidir rapidement un gaz ou un liquide: chauffe-eau, chaudières, radiateurs…

- malléable à l’état recuit, le cuivre se prête remarquablement aux opérations de pliage et d’emboutissage.

- comme l’aluminium, il est recyclable à l’infini en gardant toutes ses caractéristiques

- la résistance à la corrosion

- les propriétés antibactériennes, antiseptiques qui en font un métal salubre. Il est couramment utilisé pour les canalisations d’eau (tuyaux de plomberie, raccords) pour prévenir les infections et la prolifération de bactéries, sur les toitures pour éviter la formation de mousses, dans des peintures antifouling pour éviter la formation d’algues sur les coques des bateaux. Il est utilisé chez les confituriers (cuve, bassine, chaudron) pour favoriser la prise de la confiture, chez les fabricants d’eaux-de-vie (Cognac, Armagnac, Rhum…) pour la fabrication ou la maintenance des alambics (serpentins, col de cygne…) pour la distillation du raisin, ainsi que par les fabricants d’huiles essentielles. Il est utilisé allié au zinc dans les hôpitaux pour réduire le risque des maladies nosocomiales (poignées de porte, rampes, distributeur de savon…).

- Il est soudable et peut être brasé selon les nuances.

- Il est amagnétique (qui ne s’aimante pas): il est donc utilisé en horlogerie, en électronique et en connectique.

- 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.

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).

Les normes définissant le cuivre et les alliages de cuivre

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:

CW 307 G correspond à un cupro aluminium CuAl10Ni5Fe4. La lettre G signifie cuivre-aluminium

CW 614 N correspond au laiton CuZn39Pb3 (les barres de décolletage). La lettre N signifie cuivre-zinc-plomb

CW 507 L correspond aux tôles de laiton sans plomb CuZn36, les laitons binaires cuivre-zinc (lettre L)

CW 101 C = CuBe2= cuivre au béryllium. La lettre C signifie faiblement allié.

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:

les barres pour usages généraux (EN 12163)
les barres de décolletage (EN 12164)
les barres corroyées et brutes pour matriçage (EN 12165)
les plaques, tôles, bandes et disques pour usages généraux (EN 1652)…
La désignation des états métallurgiques EN 1173

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:

-de lettres qui indique selon une norme ISO le mode d’élaboration (exemple : Cu-ETP : cuivre affiné électrolytiquement désigné aussi par Cu-a1).

-de lettres et de chiffres qui indiquent les éléments d’alliage et leurs teneurs.

Exemples:

CuZn39Pb3 laiton composé de 39% de zinc, 3% de plomb et le reste de cuivre

CuSn10Pb10 bronze composé d’étain, de plomb et 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, allongement (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 (½ 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

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

1/ 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 (le plus courant: Cu-a1)

-les cuivres sans oxygène (désoxydé) mais avec phosphore résiduel: Cu-b1

-les cuivres sans oxygène, sans phosphore et hautes puretés: Cu-c1

1a/ 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.

1b/ 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.

1c/ 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

2/ 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: CW101C = CuBe2: 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 1300MPa.

Lescuivres 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.

Le béryllium a pour caractéristiques :

-d’être très léger avec une densité de 1,85 g/cm³. C’est le deuxième métal le plus léger après le lithium.

-d’améliorer très fortement les caractéristiques mécaniques du cuivre.

C’est un minerai rare avec une petite production mondiale de 350 tonnes par an. 92% de la production minière vient des USA, de l’Utah, de la société Materion.

Les alliages de cuivre-béryllium se caractérisent par :

-une bonne formabilité pour faire des rouleaux de bandes, du fils et des ronds

-de très hautes caractéristiques mécaniques et une relative faible conductivité thermique et électrique (de 25 à 60% IACS). Après traitement thermique de revenu, le CuBe2 peut atteindre 1300 N/mm².

-une bonne résistance à la corrosion, à l’usure et à l’abrasion

-de bonnes caractéristiques mécaniques de -200° à 150°

-ils sont amagnétiques et anti-étincelants

Le cuivre au béryllium est utilisé dans les équipements mécaniques (25%), l’électronique (20%), dans nos téléphones et nos ordinateurs (20%), dans l’automobile (15%), dans l’aéronautique et le spatial, le ferroviaire et le naval. Il est utilisé dans la plasturgie pour réaliser des moules, notamment ceux des bouchons de bouteilles plastiques. Il est utilisé également dans les agrafes de stylo haut de gamme, les enceintes hi-fi, les lunettes et l’horlogerie de luxe…

Dans l’aéro, il est dans les systèmes de mesures des vitesses et de pression, dans les trains d’atterrissage, les connecteurs…

Dans le spatial dans les systèmes de télécommunication, les radars, les fusées, les satellites, dans le robot Curiosity sur Mars.

Dans l’automobile, il est utilisé dans les portières, les connecteurs…

Dans les téléphones portables dans les batteries, les connecteurs d’antenne et de haut-parleur…

Ce sont des alliages fiables qui servent quand on recherche sécurité et performance. Ils résistent à l’usure et à la fatigue et peuvent être miniaturisés.

Les propriétés des alliages de cuivre au béryllium peuvent être modifiées par un traitement de surface. C’est essentiellement l’argenture, le dépôt d’une fine couche d’argent, qui est pratiqué.

La nuance la plus courante est le CuBe2. Sa densité est de 8,26. Sa conductibilité électrique est de 25% IACS. Grâce à un traitement thermique, sa résistance mécanique peut monter à 1300 N/mm²

Désignations

ISO CuBe2 Autres désignations : EN CW 101 C, UNS 17200

Le CuBe 1,9 et le CuBe2 sont le même alliage. La norme donne un titre de béryllium compris entre 1,8 et 2%.

Le CuBe2Pb est un alliage de décolletage. Une très faible addition de plomb (0,2%) lui confère une très bonne usinabilité.

Ils ont tous les deux les mêmes caractéristiques mécaniques.

CuCo2be: cuivre allié au cobalt et au beryllium.

Les cuivres au tellure: CuTe: cuivre au tellure pour le décolletage: usinage rapide de pièces avec une bonne conductivité électrique et thermique

Les cupro-nickels: 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.

Le centre de la pièce de 1 euro est en cupronickel.

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