Production de cuivre et d’alliages de cuivre

Production de cuivre et d'alliages de cuivre

Le cuivre est l’un des rares métaux pouvant être présents dans la nature sous une forme métallique directement utilisable. Le cuivre est un métal de couleur rose-orange qui est un métal très doux, malléable et ductile avec une très bonne conductivité thermique et électrique. Le cuivre (Cu) le numéro atomique est 29 du tableau périodique. Discutons plus en détail de la production de cuivre et d’alliages de cuivre.

Production de cuivre et d'alliages de cuivre

Propriétés techniques du cuivre

Le cuivre est un métal d’ingénierie important et est largement utilisé dans des conditions non alliées ainsi que combiné avec d’autres métaux sous forme alliée.

  • Sous sa forme non alliée, le cuivre possède une extraordinaire combinaison de propriétés pour les applications industrielles.
  • Certains d’entre eux sont une conductivité électrique et thermique élevée, une bonne résistance à la corrosion, une facilité de fabrication, une résistance à la traction moyenne, des propriétés de recuit contrôlables et des caractéristiques générales de soudage et d’assemblage.
  • Des résistances plus élevées sont atteintes dans une série d’alliages de laiton et de bronze qui sont indispensables pour de nombreuses applications d’ingénierie.

Propriétés des éléments du cuivre

Numéro atomique 29
Poids atomique 63.546
Point de fusion 1 083 °C (1 981 °F)
Point d’ébullition 2 567 °C (4 653 °F)
Densité 8,96 à 20 °C (68 °F)
Valence 1, 2
Configuration électronique 2-8-18-1 ou (Ar)3ddix4s1

Production de Cuivre

alliages de cuivre
Le cuivre

La plupart du cuivre est extrait de minerais contenant des sulfures de cuivre et de fer. Les concentrés de sulfure de cuivre obtenus à partir de minerais à faible teneur sont fondus dans un four à réverbère pour produire une matte qui est un mélange de sulfures de cuivre et de fer et est séparé des scories (déchets). Le sulfure de cuivre dans la matte est ensuite chimiquement converti en cuivre impur ou blister (98% + Cu) en soufflant de l’air à travers la matte. Le sulfure de fer est d’abord oxydé et débarrassé lors de cette opération. Par la suite, la plupart des impuretés du cuivre blister sont éliminées dans un four d’affinage et sont éliminées sous forme de laitier. Ce cuivre affiné au feu est appelé cuivre à pas dur, et bien qu’il puisse être utilisé pour certaines applications, la plupart du cuivre à pas dur est encore affiné électrolytiquement pour produire du cuivre à pas dur électrolytique (ETP) à 99,95 %.

Classification des alliages de cuivre

Aux États-Unis, les alliages de cuivre sont classés selon un système de désignation administré par la Copper Development Association (CDA).

Dans ce système, les numéros C10100 à C79900 désignent les alliages corroyés, et les numéros de C80000 à C99900 désignent les alliages de fonderie. Le tableau suivant répertorie les groupes d’alliages de chaque niveau majeur.

Alliages de cuivre forgé

Nom de groupe Nom de l’alliage
C1xxxx Cuivres et alliages à haute teneur en cuivre
C2xxxx Alliages cuivre-zinc (laitons)
C3xxxx Alliages cuivre-zinc-plomb (laitons au plomb)
C4xxxx Alliages cuivre-zinc-étain (laitons à l’étain)
C5xxxx Alliages cuivre-étain (bronzes phosphoreux)
C6xxxx Alliages cuivre-aluminium (bronzes d’aluminium), alliages cuivre-silicium (bronzes de silicium) et divers alliages cuivre-zinc
C7xxxx Alliages cuivre-nickel et cuivre-nickel-zinc (nickel silvers)

Le tableau suivant répertorie les compositions chimiques, les propriétés mécaniques typiques et les applications de certains alliages de cuivre forgé sélectionnés.

Compositions chimiques, propriétés et applications des alliages de cuivre corroyés

Compositions chimiques, propriétés et applications des alliages de cuivre corroyés

Alliages de cuivre coulé

Nom de groupe Nom de l’alliage
C8xxxx Cuivres coulés, alliages coulés à haute teneur en cuivre, laitons coulés de divers types, alliages coulés de manganèse-bronze et alliages coulés de cuivre-zinc-silicium
C9xxxx Alliages cuivre-étain coulés, alliages cuivre-étain-plomb, alliages cuivre-étain-nickel, alliages cuivre-aluminium-fer et alliages cuivre-nickel-fer et cuivre-nickel-zinc

Le tableau suivant répertorie les compositions chimiques, les propriétés mécaniques typiques et les applications de certains alliages de cuivre moulé sélectionnés.

Compositions chimiques, propriétés et applications des alliages de cuivre coulé

Compositions chimiques, propriétés et applications des alliages de cuivre coulé

Laissez-nous discuter plus de détails sur les alliages de cuivre forgé.

Alliages de cuivre forgé

Voici les alliages de cuivre forgé dont nous allons discuter brièvement.

  • Cuivre non allié
  • Alliages cuivre-zinc
  • Bronzes cuivre-étain
  • Alliages cuivre-béryllium

Cuivre non allié

Le cuivre non allié est un métal d’ingénierie important et, en raison de sa conductivité électrique élevée, il est largement utilisé dans l’industrie électrique. Le cuivre électrolytique à pas dur (EPT) est le moins cher des cuivres industriels et est utilisé pour la production de fils, de tiges, de plaques et de bandes. Le cuivre ETP a une teneur nominale en oxygène de 0,04 %. L’oxygène est presque insoluble dans le cuivre ETP et forme du Cu interdendritique2O quand le cuivre est coulé.

Pour la plupart des applications, l’oxygène dans le cuivre ETP est une impureté insignifiante. Cependant, si le cuivre ETP est chauffé à une température supérieure à environ 400 ° C dans une atmosphère contenant de l’hydrogène, l’hydrogène peut se diffuser dans le cuivre solide et réagir avec le Cu dispersé à l’intérieur.2O pour former de la vapeur selon la réaction

Cu2O + H2 (dissous dans Cu) → 2Cu + H2O(vapeur)

Les grosses molécules d’eau formées par la réaction ne diffusent pas facilement et forment donc des trous internes, en particulier aux joints de grains, ce qui rend le cuivre cassant.

Pour éviter la fragilisation par l’hydrogène causée par Cu2O , l’oxygène peut être mis à réagir avec le phosphore pour former du pentoxyde de phosphore ( P2O5) (alliage C12200).

Une autre façon d’éviter la fragilisation par l’hydrogène consiste à éliminer l’oxygène du cuivre en fonderie le cuivre ETP sous atmosphère réductrice contrôlée. Le cuivre produit par cette méthode est appelé cuivre à haute conductivité sans oxygène (OFHC) et est l’alliage C10200.

Alliages cuivre-zinc

Les laitons cuivre-zinc sont constitués d’une série d’alliages de cuivre avec des ajouts d’environ 5% à 40% de zinc. Le cuivre forme une solution solide de substitution avec du zinc jusqu’à environ 35 % de zinc. Lorsque la teneur en zinc atteint environ 40 %, des alliages à deux phases, alpha et bêta, se forment.

La microstructure des laitons alpha monophasés est constituée d’une solution solide alpha, comme illustré ci-dessous pour un alliage 70% Cu – 30% Zn (C26000, cartouche laiton).

Microstructures de cartouches de laiton (70 % Cu–30 % Zn) à l'état recuit
Microstructures de cartouches de laiton (70 % Cu–30 % Zn) à l’état recuit
(Gravure : NH4OH + H2O2; grossissement 75×.)

La microstructure du laiton 60 % Cu–40 % Zn (C28000, métal Muntz) comporte deux phases, alpha et bêta, comme illustré ci-dessous.

Tôle Muntz laminée à chaud (60 % Cu–40 % Zn)
Tôle Muntz laminée à chaud (60 % Cu–40 % Zn)
(Gravure : NH4OH + H2O2 ; grossissement 100×.)

De petites quantités de plomb (0,5% à 3%) sont ajoutées à certains laitons Cu – Zn pour améliorer l’usinabilité. Le plomb est presque insoluble dans le cuivre solide et est distribué dans les laitons au plomb sous forme de petits globules, comme le montre la figure ci-dessous.

Laiton en contact avec de petites quantités de plomb montré dans de petits globules
Laiton en contact avec de petites quantités de plomb montré dans de petits globules
(Gravure : NH4OH + H2O2; grossissement 62×.)

Les résistances à la traction de certains laitons sélectionnés sont répertoriées dans les tableaux ci-dessus. Ces alliages sont de résistance moyenne (34 à 54 ksi ; 234 à 374 MPa) à l’état recuit et peuvent être travaillés à froid pour augmenter leur résistance.

Bronzes cuivre-étain

Les alliages cuivre-étain, qui sont correctement appelés bronzes à l’étain mais souvent appelés bronzes au phosphore, sont produits en alliant environ 1% à 10% d’étain avec du cuivre pour former des alliages renforcés en solution solide. Les bronzes à l’étain forgé sont plus résistants que les laitons Cu – Zn, en particulier à l’état travaillé à froid, et ont une meilleure résistance à la corrosion, mais coûtent plus cher.

Cu–Sn alliages de fonderie contenant jusqu’à environ 16 % de Sn sont utilisés pour les roulements à haute résistance et les ébauches d’engrenages. De grandes quantités de plomb (5 % à 10 %) sont ajoutées à ces alliages pour assurer la lubrification des surfaces d’appui

Alliages cuivre-béryllium

Des alliages cuivre-béryllium sont produits contenant entre 0,6% et 2% Be avec des ajouts de cobalt de 0,2% à 2,5%. Ces alliages sont durcissables par précipitation et peuvent être traités thermiquement et travaillés à froid pour produire des résistances à la traction aussi élevées que 212 ksi (1463 MPa), qui est la résistance la plus élevée développée dans les alliages de cuivre commerciaux. Les alliages CuBe sont utilisés pour les outils nécessitant une dureté élevée et des caractéristiques anti-étincelles pour l’industrie chimique. L’excellente résistance à la corrosion, les propriétés de fatigue et la résistance de ces alliages les rendent utiles pour les ressorts, les engrenages, les diaphragmes et les soupapes. Cependant, ils présentent l’inconvénient d’être des matériaux relativement coûteux.

Conclusion

Il s’agit de la production de cuivre et d’alliages de cuivre. Nous avons discuté en détail des propriétés techniques du cuivre, de la production de cuivre, de la classification des alliages de cuivre forgé, des compositions d’alliage de cuivre coulé, faites-nous savoir ce qui nous manque d’autre sur le cuivre dans la section des commentaires ci-dessous.