cuivre et alliages

NOM :
IV. CUIVRE ET ALLIAGES
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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 Principaux alliages de cuivre Tableau 9
donne une couleur jaune et une addition de nickel cuivre (Cu) + étain (Sn) = bronze
une couleur argent. A l'état pur, il est l'épine cuivre (Cu) + zinc (Zn) = laiton
dorsale du génie électrique.
cuivre (Cu) + aluminium (Al) = cuproaluminium
Les cuivres et alliages ne sont pas des métaux cuivre (Cu) + nickel (Ni) = cupronickel
structuraux (sont peu utilisés pour faire des bâtis cuivre (Cu) + nickel (Ni) + zonc (Zn) = maillechort
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
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IV. CUIVRE ET ALLIAGES
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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
Résistance à
Limite
Allongement Dureté Brinel
d'écrouissag la rupture Rr Elastique Re pour cent A%
HB
e (%)
Mpa ou
Mpa ou
N/mm²
N/mm²
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
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IV. CUIVRE ET ALLIAGES
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")
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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
Alongeme
Dureté
Désignation
Etat Résistance
Observations
à la
nt pour
rupture
cent
Rr (Mpa)
A%
HV
Laitons (existent aussi CuZn5, CuZn30, CuZn36...; voir NF A 51-101...)
CuZn10
H11
27068-102 couleur proche de celle de l'or; bijouterie
H12
340
90-120 fantaisie; décoration; quincaillerie; fils...
H13
320102-125
H14
390
118-135
350420
390450
CuZn15
H11
30075-108 couleur proche de celle de l'or; bonne
H12
370
95-125 malléabilité; bijouterie fantaisie;
H13
350117-142 décoration; quincaillerie; cartoucherie;
H14
420
138-158 construction électrique; bâtiment.
390460
430500
CuZn20
H11
33080-112 mêmes propriétés que CuZn15; objets
H12
400
103-134 de décoration, instruments de musique;
H13
380122-148 cartouches, munitions; canalisations
H14
450
138-158
420490
460530
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NOM :
CuZn33
H11
H12
H13
H14
CuZn40
H11
H12
H13
H14
CuZn39Pb2
H12
H13
H14
CuZn40Pb3
H
CuZn36Pb3
H
Bronzes
CuSn6P
O
H12
H14
CuSn3Zn9
O
H12
H14
CuSn4Zn4Pb4
O
H12
H14
Maillechorts
CuNi10Zn27
33064*
400
380450
7*
430500
470540
360430
400470
450520
510590
400500
4502-20*
550
500600
3704-22
500
suivant
suivant
∅d
∅d
3207-28
450
suivant
suivant
∅d
∅d
H11
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IV. CUIVRE ET ALLIAGES
85-120 - le plus malléable (emboutissage
110-140 profond, repoussage); lustrerie,
132-158 instruments de musique, douilles,
148-168 cartouches, rivets; couleur jaune...
- variantes: CuZn30 et CuZn36
105-135
120-150
140-165
150-175
nuance la plus économique; bonne
malléabilité et bonne usinabilité;
architecture, serrurerie, lustrerie,
sanitaires, pièces matricées.
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
laiton de décolletage caractérisé par une
excellente usinabilité, non adapté aux
déformations à froid.
laiton de décolletage caractérisé par une
très bonne usinabilité et pouvant
supporter une faible déformation à froid
(sertissage...).
330420
460540
620700
310400
460560
610660
320370
400460
500600
50
20
6
90-120
- bronze phosphoreux; ressorts,
membranes élastiques; joints
élastiques...
- variantes: CuSn4P; CuSn9P
190-220
40
15
4
75-105
140-170
190-210
- bronze chrysocale; moins coûteux (Zn
remplace en partie Sn); ressorts, joints...
- variante: CuSn5Zn4
25
3
80-100
125-155
160-185
bonne usinabilité, visserie, boulonnerie
courante...
420
27
105
architecture, serrurerie, lustrerie, orfèvrerie,
horlogerie..
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NOM :
CuNi18Zn20
H14
580
5
Cuivres au béryllium
CuBe2
T
1310
4
180
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IV. CUIVRE ET ALLIAGES
architecture, serrurerie, lustrerie, orfèvrerie,
horlogerie, articles de ménage, appareils
électriques..
haute résistance mécanique
limite élastique: Re = 1200 MPa
* indicatif
Alliages de cuivre : extrait des nuances pour la fonderie Tableau 12
Limite
Allongement Dureté Observations
Etat Résistance
à la
élastique
pour cent
Brinell
rupture
Rr
MPa
Re
MPa
A%
HBS
Laitons
CuZn19Al6
Y20
750
500
8
220
CuZn23Al4
Y20
500
250
8
160
CuZn40
Y30
340
8
Cupro-aluminiums
CuAl9
Y30
500
20
130
160
150
CuAl10Fe3
CuAl10Fe5N
i5
Bronzes
CuPb5Sn5Z
n5
CuSn12
CuPb20Sn5
Y20
Y30
Y20
Y30
500
650
630
600
180
250
250
300
18
20
12
7
Y20
Y30
200
250
90
100
12
12
Y20
Y30
Y20
Y30
240
270
150
180
130
150
60
80
5
3
5
7
120
120
18
18
80
80
-
-
70
Cupronickels et maillechorts
CuNi30
Y20
340
Y70
340
CuZn24Ni18
CuZn27Ni10
Y30
-
laiton haute résistance. Hélices marines,
engrenages
laiton haute résistance. Hélices marines,
engrenages
robinetterie industrielle et sanitaire,
robinets d'eau ou de gaz, siphons...
génie maritime: pompes, accastillages,
hélices, échangeurs...
applications mécaniques: vis, papillons,
fourchettes de boîtes de vitesses
génie maritime: pompes, accastillages,
hélices, échangeurs...
bonnes étanchéité, usinabilité, qualités
frottantes (coussinets), robinetterie
industrielle (vannes, raccords..)
bonnes qualités frottantes, robinetterie
industrielle...
matériau antifriction pour coussinets,
charges modérées (dureté minimum de
l'arbre 200 HB)
cupronickel, inaltérable à l'air, bonne
tenue en eau de mer
pièces d'architecture, industries
alimentaires
maillechort utilisé en orfèvrerie (couleur
argent), industries alimentaire et
chimique...
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