METALLURGIE DESCRIPTIVE ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 1

Les différentes familles de matériaux Métalliques Alliages ferreux Fontes Aciers Composites Alliages non-ferreux d’Aluminium de Cuivre de titane Polymères Céramiques Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile). ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 2

Chapitre IV - Les Alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 3

Sommaire  Introduction : le cuivre  Désignation des alliages de cuivre  Les principales familles d’alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 4

Introduction ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 5

Le cuivre  Points fort du cuivre • Premier métal travaillé par l’homme (âge du bronze) • Le cuivre et ses alliages ont plusieurs atouts les importants sont : - sa densité élevée (8,9) : voisine de celle du nickel et 3,3 fois celle de l’aluminium - meilleur conducteur électrique (r = 1,67 mW.cm) et thermique [l = 398 W/(m.K)], après l’argent, mais devant l’aluminium  ½ Cu consommé pour applications électriques - son module d’élasticité E = 120 GPa le place, en module relatif (rapporté à la densité), à un niveau deux fois plus faible que l’aluminium, l’acier et le titane - la résistance à la corrosion est assez bonne - sa structure cristalline est CFC (a = 0,36 nm)  grande ductilité ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 6

Le cuivre • L’apport d’élément d’alliage donne un diagramme binaire Cu-X assez semblable à celui des alliages Al-X (Chap III ), le domaine monophasé α s’étendant jusqu’à la teneur C * à la température T *. Les concentrations limites C * peuvent être élevées. Domaine monophasé α : teneur maximale C * à T * et teneur maximale à température ambiante ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 7

Désignation des alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 8

Désignation des alliages de cuivre CuZn39Pb2 symbole chimique du cuivre Symboles chimiques placés dans l’ordre décroissant de leur teneur en masse suivi de la concentration en % de l’élément d’alliage N.B. • Dans certains cas, on note la teneur même si elle est inférieur à 1, en particulier pour différencier deux nuances voisines (exemple CuAg0,05 et CuAg0,1) • Les alliages à base de cuivre sont appelé cupro-(élément d’alliage principal) exemple CuBe2 = cupro-béryllium, sauf le laiton (Cu-Zn) et les bronzes (Cu-Sn) ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 9

Les principales familles d’alliages de cuivre ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 10

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les principales familles d’alliages de cuivre sont : - le cuivre pur industriel - les laitons (Cu-Zn) - les bronzes (Cu-Sn) - les cupronickels (Cu-Ni) - les alliages Cu-Be  Le cuivre pur industriel Les deux types principaux de cuivre pur sont : avec 0,02 à 0,06 % d’oxygène (sous forme de globules d’oxyde, Cu2O) sans oxygène : désoxydé + avec des traces de phosphore La présence d’oxygène (sous forme eutectique Cu2O, 0,4 % oxygène) dans le cuivre raffiné  moins conducteur mais devient déformable et soudable  plus haute conductivité électrique plus cassant ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 11

Les principales familles d’alliages de cuivre Le cuivre pur industriel Sa structure CFC le rend : - fortement écrouissable Passage de l’état recuit (Rm=230 MPa et A=45 %) à l’état écroui maximal (Rm=350 MPa et A=6 %) - bonne ductilité - résistance mécanique moyenne L’apport d’une faible teneur de certains éléments peut être utile : - la tenue en fluage (Ag) - l’usinabilité (Te) - un durcissement structural (Cr) - la tenue en fatigue et en fluage (Cd)  Usage électrique et électroniques ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 12

Les laitons α industriels Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Les laitons constituent la famille la plus utilisée. Le zinc est moins cher que le cuivre, et selon la teneur en zinc, on distingue les familles suivantes : - Les laitons monophasés α - Les laitons biphasés (α+β) • Diagramme d’équilibre Cu-Zn - solubilité maximale de 39 % Zn vers 450°C qui  à plus haute et à plus basse T - Les laitons avec additions - Pratiquement, il existe des proportions croissantes de phase β, hors équilibre, pour une teneur en zinc supérieure à 30 % impossible d’éliminer totalement cette phase pour atteindre 100 % de phase α homogène au-delà de 37 % de zinc CuZn5 CuZn37 Les laitons α industriels ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 13

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Couleurs La teinte rose du cuivre  franchement dorée à partir de 10 à 15 % de zinc puis jaune avec reflets verdâtres vers 30 % de zinc • Masse volumique, coefficient de dilatation, conductivités électrique et thermique et module d’élasticité ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 14

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Déformabilité à chaud La teneur en impuretés (notamment Pb et Bi) étant sévèrement limitée, les laitons α sont : - très déformables à chaud - résistance mécanique (nettement plus élevée que celle des laitons riches en b)  limitation importante des passes de laminage ou des rapports de filage - La température de préchauffage, ~ 750 à 900°C selon le % en zinc, est donc aussi élevée que possible afin de supprimer la phase β, hors équilibre • Déformabilité à froid Tous les laitons a renommés pour leur ductilité à froid supportent des réductions de 90 % et plus par laminage ou étirage-tréfilage, et ils se prêtent à des mises en forme par pliage, emboutissage, formage, gravage mécanique (tôles) et forgeage à froid (barres et fils) ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 15

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Propriétés mécaniques en fonction de la teneur en Zinc I : Métal écroui à 10, 20, 70, 150% II : métal recuit présentant des grain Ø 10, 15, 25, 35, 50, 70 mm ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 16

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Propriétés mécaniques en fonction de la teneur en Zinc I : Métal écroui à 10, 20, 70, 150% II : métal recuit présentant des grain Ø 10, 15, 25, 35, 50, 70 mm ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 17

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les laitons (Cu-Zn) • Laitons α spéciaux pour tenue à la corrosion aqueuse Certains laitons α sont utilisés sous forme : - de tubes recuits pour les échangeurs thermiques refroidis à l’eau (ex : usine de dessalement et condenseurs principaux de centrales thermiques et de navires) Sans exception, ces laitons renferment une addition soluble d’arsenic (0,02 à 0,06 %) pour combattre la dézincification (corrosion pernicieuse  dissolution sélective du zinc en laissant des zones spongieuses de cuivre) Nuance simple CuZn30 convient pour des eaux de refroidissement assez pures de lacs et rivières « propres » (pas de pollution solide ni chimique : Cl– < 0,1 % et pH = 7-8) CuZn29Sn1 (laiton Amirauté ) où l’étain soluble  formation d’une couche protectrice Utilisable dans des eaux légèrement polluées de rivières et des estuaires présence de sable ou de vase en suspension ou d’un extrait sec > 0,4 % interdit son usage ! CuZn22Al2 (laiton à l’aluminium) où l’aluminium soluble  renforce la tenue de la couche protectrice formée en début de service et confère au tube une bonne résistance à la corrosion-érosion  Alliage le plus employé pour les tubes échangeurs refroidis à l’eau de mer polluée ou non ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 18

Les principales familles d’alliages de cuivre  Les bronzes (Cu-Sn) Désigne les alliages cupro-étains D’un point de vue normalisation : Désigner à tout alliage contenant au moins 65 % de cuivre (même sans étain) Appellations courantes : - bronzes d’aluminium  cupro-aluminiums - bronzes au silicium  cuprosiliciums - bronzes au manganèse  laitons HR (haute résistance) Sn  Améliore la résistance à la corrosion ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 19

Les principales familles d’alliages de cuivre  les Cupro-nickels (Cu-Ni) Ces alliages (contenant jusqu’à 50 % de nickel) sont industriellement importants surtout pour : - leur bonne résistance à la corrosion dans l’eau de mer - leur grande déformabilité à froid avec prise d’écrouissage modérée - leur aptitude au soudage Très souvent, les alliages industriels comportent des additions mineures de : - manganèse  désoxyder et piéger toute trace d’impureté de soufre  améliore nettement leur tenue en eau de mer. Applications : - Aquaculture : pour paniers en tôles déployées (élevage de poissons, d’huîtres, etc.) - Dessalement, centrales thermiques : pour tubes et plaques échangeurs revêtements de grosses conduites pour eau de mer (antifouling ) - Construction marine : conduites d’eau de mer, équipement de plates-formes offshore, revêtement de coques de bateaux, etc - Construction mécanique : systèmes tubulaires de contrôle hydraulique ou pneumatique devant résister à la corrosion saline ; tubes pour circuit de freinage dans l’automobile - Monnaie ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : martias@univ-tln.fr - 20