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Le cuivre et ses alliages

Dossier - Le cuivre, premier métal travaillé par l'homme
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Le cuivre, à la couleur si fascinante est l'un des métaux les plus connus, et le premier avec l'or travaillé par l'homme. Quelle est son histoire ? Quelles sont ses propriétes ? découvrir l'âge de bronze, les alliages, que fait-on avec le cuivre ?

  
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L'alliage est une solution solide d'un métal dans un autre et la solubilité du métal de valence élevée dans un métal monovalent est toujours supérieure à l'inverse. Un alliage n'a donc pas un point de fusion précis mais en revanche un diagramme binaire ou ternaire plus ou moins compliqué.

Le cuivre a des propriétés remarquables, nous l'avons vu : sa conductibilité - électrique et thermique -  et sa résistance à la corrosion. Mais il faut ajouter la résistance mécanique, d'aptitude à l'usinage, que le cuivre possède, mais insuffisamment : alors on utilise ses alliages.

Le cuivre peu allié contient des éléments aux environs de 2% maximum, qui permettent d'améliorer les caractéristiques mécaniques sans altérer les propriétés du cuivre. II existe de nombreux alliages :  Be, Mg, Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Sn, Pb, As, Sb, Bi et d'autres... dans des proportions diverses, binaires ou ternaires. Mais le cuivre fait aussi des alliages avec les alcalins, les alcalino-terreux et les terres rares : décidément un « bon à tout faire » ! Le R et D est très important dans ce domaine et beaucoup de brevets sont déposés pour des nouveaux alliages...

Pour illustrer ces nombreuses possibilités, prenons un seul exemple : les alliages conducteurs avec la conductivité exprimée en % de la conductivité du cuivre pur ( égale ici à 100%)
- Bronze au cadmium 1%     85-90
- Cuivre et zirconium de 0,1 à 0,15%   80-90
- Cuivre et chrome 0,6 à 1%   80
- Bronze au cadmium 1% et étain 0,15% 72
- Cuivre avec 2,5 nickel et 0,7% silice  40 à50
- Bronze au glucinium    ->50
- Divers laitons     30 à 45
- Cuivre à 5% de nickel    25

- Le cuivre à l'argent : pièces qui doivent être utilisées à température élevée (moteurs électriques et contacteurs par exemple). L'aptitude à l'usinage caractérise le cuivre au tellure qui sert la fabrication par usinage ou découpage rapides de pièces qui doivent garder les propriétés du cuivre.

Casseroles en cuivre

- Le chrome dans le cuivre améliore la résistance aux déformations, à chaud surtout : électrodes de soudure, éléments de frein, panneaux de lingotières pour la coulée de l'acier.

- Le cupro-aluminium contient  4 à 15 % d'aluminium avec addition ou non de fer, nickel ou manganèse, à des teneurs de l'ordre de 5 %. Il est caractérisé par une bonne résistance à la corrosion marine (hélices de navire, gouvernails, pompes...) et des caractéristiques mécaniques élevées.

- Le cuivre et le nickel sont solubles en toutes proportions.

Les propriétés des cupro-nickels : résistance à la corrosion par l'eau de mer, anti-fouling bonnes caractéristiques mécaniques d'où leur utilisation pour la protection des coques de navires, les unités de dessalement, l'offshore...

Deux Centavos 1921 de Colombie en cupronickel

1 - Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc

A ne pas manquer de lire sur notre site "Une visite à Cap Garonne".

On y trouve entre 5 et 45 % de zinc. Les laitons alpha, la plupart des laitons commerciaux, sont des solutions primaires de zinc dans le cuivre avec comme impuretés principales le Pb et le Bi. C'est l'alliage le plus fabriqué et qui présente la plus grande facilité d'emploi : moulage, matriçage, décolletage, emboutissage, usinage, etc... De plus, il peut recevoir tous les traitements de surface et laisse des déchets de fabrication de valeur élevée. Les températures de filage et d'extrusion sont basses. Le temps de laminage à chaud augmente avec la quantité de zinc. Le plomb qui est très souvent présent agit comme lubrifiant lors de l'usinage, on peut en ajouter jusqu'à 3%

En gros l’addition de zinc entraîne :

-- une diminution du PF, de la densité, de la conductibilité thermique et électrique,
-- une augmentation du coefficient de dilatation, de la résistance mécanique et de la dureté.

Le laiton chauffé perd du zinc et la corrosion des laitons alpha est surtout une « dézincification ». Le phosphore permet de pallier, un peu, à ce désagrément et d'augmenter la durée de vie des laitons.

Les alliages de fonderie contiennent souvent des pourcentages plus importants que ceux mentionnés ici de Al, Sn, Mn, Fe, Ni etc...Voir tableau ci-dessous.

Les usages courants du laiton : bâtiment, plomberie, échangeurs de chaleurs, navires, douilles et prises électriques, visserie, bijoux, monnaies, médailles, brasure, supports pour émail par exemple.

Composition différents laitons commerce Fonderies Bordery

On peut y ajouter de l'étain jusqu'à 1% qui diminue la corrosion : ceci est intéressant pour la construction navale.

-- Maillechort ou argentan : alliage inaltérable de cuivre, de zinc et de nickel. Son nom vient de celui de ses inventeurs : Maillet et Chorier (1827). C'est un alliage blanc, dur dont l'aspect rappelle celui de l'argent d'où l'autre nom qui lui est donné d'argentan. On l'utilise notamment dans la fabrication de pièces d'orfèvrerie ou d'instruments scientifiques.

Pièce de 25 cts RF en maillechort, 1939

-- Métal anglais : alliage à base de zinc et d'antimoine. Utilisé surtout par les anglais, il en a tiré son nom. Ce mélange contient entre 70 et 94 % d'étain, 5 à 24 % d'antimoine, du cuivre jusqu'à concurrence de 5 % et parfois du plomb jusqu'à 9%. Il est notamment employé dans la fabrication de services de table, de couverts ou de théières.

-- Tombac (Thaï : tambac) : ce nom est donné à différents alliages à base de cuivre et de zinc (laitons) contenant plus de 80 à 83% de cuivre et pouvant renfermer de petites quantités d'étain. Il est originaire du Moyen-Orient et possède une couleur proche de celle de l'or. Il est souvent utilisé en bijouterie sous forme de bandes ou de fils.

Pièce canadienne en tombac 1942

-- Zamak : (nom déposé) c'est la dénomination commerciale désignant un alliage à base de zinc, d'aluminium (3,9 à 4,3%), de magnésium (0,03 à 0,06%) et éventuellement de cuivre (1 à 3%). Dans l'industrie automobile, il est utilisé dans la fabrication de poignées, de corps de pompe et de carburateurs. Dans l'industrie radio-électrique et de la téléphonie mobile, il sert à réaliser des pièces de petite taille. Enfin, il trouve un large éventail de débouchés dans la serrurerie et la quincaillerie.

2 - Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain

Le bronze contient, en principe entre 3 et 20 % d'étain, la fragilité augmente avec la concentration en étain mais les cloches contiennent 20 à 25 % d'étain, les propriétés acoustiques sont optimales entre 16 et 30% poids d'étain donc le bronze des cloches est très fragile. Le bronze est l'alliage de fonderie avec une excellente résistance à la corrosion et un bon coefficient de frottement donc une grande résistance à l'usure et de bonnes caractéristiques mécaniques (ressorts, bagues, rondelles, contacts...).

Les alliages alpha contiennent toujours au maximum 10% poids en étain. Si ce pourcentage est plus élevé on a alors exclusivement du bronze de fonderie.
L'étain augmente la dureté et la résistance mécanique mais diminue de PF, la densité et les conductivités.

La couleur est rouge jusqu'à 3% d'étain puis devient jaune de plus en plus clair.
Le bronze est peu travaillé à chaud, il est fragile, la soudure en est très difficile et l'étain doit en être très pur ce qui est rare (l'étain contient souvent un peu de As, de SB ou de Pb...)

Les bronzes contiennent presque toujours de 0,02 à 0,35 % de phosphore.
Donc, le bronze est presque toujours coulé, puis travaillé à froid.

Composition typique des bronzes.
Objets : cuivre étain zinc
médailles 90 - 96 10 - 4 -
monnaies 95 4 1
canons 90 10 -
cloches 80 20 -
statues 80 - 85 6 - 7 8 - 14

Le bronze est aussi utilisé pour la sculpture. Les bronzes anciens sont rouges avec une patine verte et ne contiennent que du cuivre et de l'étain tandis que les bronzes actuels contiennent presque toujours du zinc et sont donc proches des laitons, le prix en étant beaucoup moins élevé parce que plus solide et fabriqué en grande quantité.

La Douleur de Rodin

Les anciens bronzes chinois ou japonais ont toujours du plomb et ils disposaient de plusieurs alliages différents :
-- avec plomb : le shirome
-- avec zinc : le sentoku
-- avec argent : le shibuichi
-- avec or : shaduko qui pouvait contenir jusqu'à 20% d'or et devenait ainsi violet, bleu foncé.

Les alliages destinés à la joaillerie ou à la décoration ne furent vraiment définis qu'à l'époque d'Edo (1603 - 1868) au Japon, on trouve le laiton, shinchû, des alliages considérés comme nobles et surtout employés pour les armes et les armures, tels que le shakudô, le  rogin (mélange à parties égales de cuivre et d'argent), le  shibuichi (75% de cuivre-25% d'argent), le  karakane  ou métal chinois  (70 à 90% de cuivre, 2 à 8% d'étain, 5 à 15% de plomb).

Bronze chinois

Les bronzes, seidô, avaient des compositions fort diverses : avec du zinc, sentoku, du plomb, de l'arsenic  sawari, shirome, etc... Cependant, ces alliages traditionnels étaient sujets à variations, chaque fondeur possédant ses propres secrets de fabrication.