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Métallurgie générale/Le cuivre et ses alliages

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Le cuivre est intéressant pour plusieurs raisons :

  • sa faible résistivité électrique (cuivre pur : ρe = 16,8⋅10−9 Ω⋅m) ;
  • sa faible température de fusion (Tf = 1 084 °C) ;
  • sa grande conductivité thermique (λ = 401 W/(m·K)) ;
  • sa faible limite élastique (cuivre pur recuit : 7 MPa) et sa grande ductilité (A% jusqu'à 50 %), donc sa grande formabilité : c’est un métal cubique à faces centrées ;
  • sa résistance naturelle à la corrosion : il réagit avec le dioxygène de l'air pour former une couche d'oxyde Cu2O compacte et protectrice, de couleur noire ; il réagit également avec le dioxyde de carbone pour former le vert-de-gris.
Le cuivre et ses alliages
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Chapitre no 6
Leçon : Métallurgie générale
Chap. préc. :Les fontes
Chap. suiv. :L'aluminium et ses alliages
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On peut donc facilement en faire des câble électriques (tréfilage), des tuyaux de plomberie (fonderie ou laminage et soudure) et des échangeurs de chaleur.

  • bobine de fil de cuivre
    bobine de fil de cuivre
  • raccords de plomberie en cuivre
    raccords de plomberie en cuivre

Par ailleurs, il forme des alliages, en particulier avec :

  • l'étain, ce qui donne les bronzes, et le zinc, ce qui donne les laitons ; les bronzes et laitons sont moins chers, ont une meilleure ductilité et un point de fusion plus bas, ce qui facilite l'emboutissage et le moulage ;
  • l'aluminium et le nickel améliorent la résistance mécanique et à la corrosion ;
    • alliages cupro-aluminiums ou bronzes d'aluminium (env. 10 %,
    • alliages cupronickels : le nickel améliore aussi la malléabilité et augmente la résistivité électrique, ils ont une couleur argent à partir de 20 % de nickel ; pour les pièces de monnaie (env. 25 %), les tubes de condenseurs (30 %) et les résistances électriques (constantan : 45 %),
    • maillechort[1] : ajout de nickel et de zinc, plus résistant que les laitons ; articles ménagers, orfèvrerie, appareils électriques ;
  • une faible quantité de phosphore (moins de 1 %) améliore la résistance mécanique, diminue le coefficient de frottement, améliore l'aptitude au moulage et participe à la désoxydation ;
  • le plomb améliore l'usinabilité ;
  • le phosphore, le zinc et l'argent, ce qui donne des alliages à bas point de fusion (eutectiques vers 600-800 °C) utilisés pour la brasure.

Le bronze a par ailleurs un faible coefficient d'adhérence avec l'acier et la fonte (μs = 0,1 à 0,2 selon les conditions de lubrification), ce qui en fait un alliage de choix pour les pièces soumises au frottement (pignons, paliers lisses).

  • engrenages hélicoïdaux en bronze
    engrenages hélicoïdaux en bronze
  • paliers lisses en bronze
    paliers lisses en bronze
  • cloche en bronze
    cloche en bronze
  • raccords de plomberie en laiton
    raccords de plomberie en laiton
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Métallurgie du cuivre

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À l'état natif, le cuivre se trouve principalement sous forme de sulfure (chalcopyrite CuFeS2). Les minerais contiennent assez peu de cuivre (moins de 5 %) mais contiennent d'autres métaux, en particulier du fer et des métaux précieux (argent, or, platine), parfois du nickel et du cobalt, qui en sont également extraits.

Filière pyrométallurgique

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La pyrométallurgie est utilisée pour les minerais sulfurés.

Le minerai est extrait et séparé selon les méthodes classiques (broyage, flottation), et grillé pour oxyder certaines impuretés. Puis, il est mélangé à un laitier (sable et chaux et chauffé) dans un four électrique (ou auparavant à réverbération) en atmosphère oxydante pour obtenir un liquide appelé matte (

Début d’une formule chimique

Cu2S

Fin d’une formule chimique

, FeS).

La matte est débarrassée de ses scories qui surnagent puis est converti par soufflage air dans la matte liquide :

Début d’une formule chimique
Cu2S
Fin d’une formule chimique
+ O2 → 2Cu +
Début d’une formule chimique
SO2
Fin d’une formule chimique
↗

En effet, l'affinité du cuivre avec l'oxygène est moindre que pour les impuretés, et en particulier que pour le fer et le soufre, on peut donc éliminer les impuretés sans oxyder le cuivre. Le dioxyde de soufre se dégage sous forme de gaz, et les impuretés oxydées (en particulier le fer sous forme de FeO) sont absorbées par le laitier. Le métal obtenu est appelé cuivre blister en raison de son aspect poreux[2], et contient encore 1 % d'impuretés.

minerai grillé + laitier — fusion/oxydation → matte + scories — extraction gravitaire → matte — conversion à l'air → cuivre blister

Les opérations peuvent être faites en continu avec recyclage du laitier récupéré à la fin de la troisième étape (procédé Mitsubishi). On peut également réaliser les trois opérations en une, c’est la fusion éclair ou flashmelting : le mélange {minerai partiellement grillé + fondant concentré} est projeté sous forme de particules avec un flux de dioxygène dans le four. En raison de la faible taille des particules et du caractère exothermique de l'oxydation, les opérations — grillage, fusion, oxydation des impuretés — se font rapidement pendant le temps de chute des particules.

Il faut ensuite affiner le cuivre blister. Le premier affinage se fait fondant le cuivre blister sous air (dans un four rotatif horizontal pour favoriser le mélange avec l'air) pour oxyder les impuretés et en particulier le soufre résiduel, mais cela incorpore de l'oxygène dans le cuivre. On réduit l'oxyde de cuivre obtenu par des gaz réducteurs (hydrocarbures).

L'affinage supplémentaire est en général pratiqué par électrolyse : le cuivre blister est coulé sous forme d'électrodes (anodes) plongées dans un bain de sulfate de cuivre, et lorsque l’on fait passer un courant, l'électrode se dissout et le cuivre se dépose sur la cathode elle-même en cuivre, tandis que les impuretés se dissolvent dans la solution. Ceci qui permet d'obtenir un cuivre très pur (99,9 %). Il se forme une boue contenant en particulier les métaux précieux.

Filière hydrométallurgique

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La filière hydrométallurgique est adaptée aux minerais contenant le cuivre sous forme d'oxyde (cuprite,

Début d’une formule chimique

Cu2

Fin d’une formule chimique

, malachite

Début d’une formule chimique

CuCO3·Cu(OH)2

Fin d’une formule chimique

, azurite

Début d’une formule chimique

2CuCO3·Cu(OH)2

Fin d’une formule chimique

). Ces minerais sont pauvres en cuivre (moins de 3 %) et ne contiennent pas de métaux précieux.

Ils subissent d’abord une lixivation : dissolution dans l'acide sulfurique donnant une solution de sulfate de cuivre. La solution est ensuite concentrée et purifiée (mise en contact avec un autre liquide capturant les impuretés puis séparation des liquides), puis on effectue une électrolyse de la solution pour déposer le cuivre sur la cathode.

Impact environnemental

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La production par pyrométallurgie rejette du dioxyde de soufre

Début d’une formule chimique

SO2

Fin d’une formule chimique

qui est polluant (pluies acides), mais dépense moins d'énergie que la voie hyrdométallurgique. Les deux voies donnent des boues et effluents liquides qui doivent être traités.

Désignation normalisée

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On utilise une désignation symbolique (chimique) et une désignation symbolique.

La désignation symbolique utilise les symboles chimiques classiques.

Le cuivre pur est désigné par le symbole chimique Cu suivi d'un tiret et d'un code indiquant le procédé d'obtention. On distingue :

  • le cuivre affiné (contient encore des traces d'oxygène) : affiné thermiquement (Cu-ETP, CW 004A), affiné électrolytiquement (Cu-FRHC, Cu-FRTP), à fort phosphore résiduel (Cu-DHP) ou à faible phosphore résiduel (Cu-DLP) ;
  • le cuivre désoxydé : Cu-OF (oxygen free, CW 008A), Cu-OFE (haute pureté).

Le cuivre désoxydé est moins fragile et a une conductivité électrique plus élevée ; il est soudable au verre. Les cuivres Cu-ETP et Cu-FRHC ont une conductivité électrique garantie, pas les autres.

L'ancienne norme française (NF A 51-050) distinguait trois types de cuivre pur :

  • Cu/a : raffiné contenant de l'oxygène, à hautes conductivités thermique et électrique ;
  • Cu/b : exempt d'oxygène, contenant des traces d'oxydant résiduel (phosphore), emboutissable ;
  • Cu/c : cuivre exempt d'oxygène.

Pour les alliages, la désignation commence par le symbole Cu, puis suit la liste des éléments d'alliage et de leur teneur en pourcentage massique, par exemple :

Cu Zn 27 Ni 18 : maillechort, à 27 % de zinc et 18 % de nickel.


La désignation numérique européenne commence par un C pour le cuivre, puis suit une lettre indiquant le procédé d'élaboration : W pour du corroyé (wrought, litt. forgé), B pour coulé en lingot (block), C pour une pièce moulée (cast), M pour un alliage mère (master alloy, matière première pour un autre alliage). Vient enfin un groupe de trois chiffres et une lettre pour le type d'alliage ; la lettre s'incrémente toutes les 50 références (A pour les références 001 à 049, B pour 050 à 99, …). Par exemple, les références 001A à 099B désignent du cuivre pur, 459K à 499K pour un alliage cuivre-étain, 500L à 599M pour un alliage cuivre-zinc, … Voici quelques exemples :

  • CW 004A : cuivre pur affiné thermiquement (Cu-ETP) ;
  • CW 008A : cuivre pur désoxydé (Cu-OF) ;
  • CW 612N : laiton corroyé (désignation symbolique Cu Zn 39 Pb 2) ;
  • CW 460K : bronze corroyé (Cu Sn 8 Pb P) ;
  • CB 483K, CC 483K : bronze moulé (Cu Sn 12) ;
  • CW 508L : laiton corroyé (Cu Zn 37).

Traitement thermo-mécaniques

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Le cuivre pur est durci par écrouissage. Cet écrouissage est annulé par un revenu. On distingue typiquement quatre états de livraison : recuit et 1/4 dur à 4/4 dur.

État de livraison du cuivre pur
État taux
d'écrouissage
(%)[3] 		Re (MPa) Rm (MPa) A%
recuit 0 7 23 45
1/4 dur 10 21 27 25
1/2 dur 25 25 30 14
4/4 dur 50 32 35 6

La trempe augmente la ductilité.

Principales nuances

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Laitons

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Diagramme de phase cuivre-zinc

Les laitons contiennent en général moins de 40 % de zinc. On leur ajoute parfois du plomb pour améliorer l'usinabilité. Les laitons contenant plus de 15 % zinc peuvent se dézincifier en milieu marin : le zinc se dissout préférentiellement (dissolution sélective), ce qui cause une corrosion accélérée. Pour éviter ce problème, on peut ajouter un peu d'étain ou d'arsenic. L'aluminium améliore la résistance à la corrosion.

Par rapport à la teneur en zinc, on distingue en général :

  • les laitons α : à moins de 35 % de Zn, c’est une solution solide de zinc dans le cuivre cubique à faces centrées ;
  • les laitons β : contenant entre 40 et 50 % de zinc, ils ont une structure cubique centrée, dite β', à température ambiante, ils sont donc plus durs et ne peuvent se travailler qu’à chaud ; on les utilise en général pour des pièces de fonderie ; au-delà de 42 %, l'alliage est trop fragile et n'est donc pas intéressant ;
  • les laitons duplex, ou laitons α-β : contenant entre 35 et 40 % de zinc, ils sont composés de cristaux phase α et de cristaux de phase β ; ils sont plus durs que les laitons α mais se travaillent facilement à chaud.

La structure β est une structure désordonnée. Lors du refroidissement, vers 450-470 °C, il se produit une transformation désordre → ordre : la structure β' est une structure CuZn est ordonnée (structure idéale[4] pour 50 %at/49,3 %m de zinc, présentant des défaut lorsque l’on s'éloigne de la stœchiométrie).

On utilise en général du laiton à 36 % de zinc ; c’est l'alliage le moins cher : il contient une grande proportion de zinc. On utilise également fréquemment un laiton à 30 % de zinc, plus ductile et plus résistant à la corrosion. Les laitons contenant peu de zinc (5 %) ont une jolie couleur dorée et sont souvent utilisés en plaquage esthétique (dorure).

Les alliages les plus fréquemment utilisées sont :

  • Cu Zn 10, Cu Zn 33, Cu Zn 40 : produits laminés pour petites pièces esthétiques et mécanique (bijouterie et orfèvrerie, quincaillerie, douilles de munitions, serrurerie) ;
  • Cu Zn 20, Cu Zn 40 : produits de fonderie pour robinetterie ;
  • Cu Zn 19 Al 6 : produits de fonderie pour pièces mécaniques de résistance, hélices marine, engrenages ;
  • Cu Zn 40 Pb 2 : produits laminés pour engrenages, horlogerie, visserie ;
  • Cu Zn 36 Pb 3, Cu Zn 40 Pb 3 : produits laminés pour décolletage (usinage à grande vitesse).

Bronzes

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Diagramme binaire cuivre-étain pour la gamme de composition des bronzes

Les bronzes ont plus de 60 %de cuivre. On distingue typiquement deux types de bronze selon leur composition :

  • bronze α : jusqu'à 16 % d'étain, le bronze ne contient que de la phase α (cubique à faces centrées, solution solide d'étain dans le cuivre) ;
  • au delà, il contient également une proportion de phase δ.

Les alliages les plus utilisés sont :

  • Cu Sn 3 Zn 9 : produits laminés pour visserie ;
  • Cu Sn 4 Zn 4 Pb 4 : produits laminés pour ressorts, joints et membranes ;
  • Cu Sn 5 Pb 5 Zn 5 : produits de fonderie pour pièces de frottement, robinetterie, robinets de chimie ;
  • Cu Sn 6 P : produits laminés pour ressorts ;
  • Cu Sn 12 (CB 483K, CC 483K) : produits de fonderie pour pièces de frottement, robinetterie haute pression ;
  • Cu Pb 20 Sn 5 : produits de fonderie pour pièces de frottement, coussinets.

On fabrique des coussinets (paliers lisses : pièces de frottement pour guidage en rotation) en bronze fritté (métallurgie des poudre) : on obtient une pièce poreuse que l’on imprègne de lubrifiant (huile). On a ainsi un coussinet autolubrifiant (bague dite « metafram »).

Maillechorts

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Ce sont des produits laminés ;

  • Cu Zn 27 Ni 10, Cu Zn 20 Ni 18 : serrurie, orfèvrerie, lustrerie.

Cupro-aluminiums

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Ce sont des produits de fonderie :

  • Cu Al 10 Fe 3 : robinets de chimie, pièces mécaniques de résistance, hélices de mer, turbines, engrenages ;
  • Cu Al 10 Ni 5 Fe 4 : robinets de chimie, roue et vis sans fin.


Voir aussi

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Notes

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  1. ↑ de Maillot et Chorier, ses inventeurs, se prononce /maj.ʃɔʁ/ « maille-shore », parfois /maj.ʃɔʁt/ « maille-short »
  2. ↑ blister = cloque, ampoule
  3. ↑ le taux d'écrouissage (rate of strain hardening) est la pente de la courbe de traction dσ/dε à l'endroit où l’on se trouve
  4. ↑ structure B2 dans la nomenclature Strukturbericht


  Les fontes
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