Les nuances de cuivre constituent l'un des principaux groupes de métaux commerciaux, appréciées pour leur excellente conductivité électrique et thermique, leur résistance à la corrosion et leur facilité de mise en œuvre. Elles sont non magnétiques et peuvent être facilement assemblées par soudure tendre et soudure forte, tandis que de nombreuses nuances de cuivre peuvent également être soudées à l'aide de diverses méthodes : au gaz, à l'arc et par résistance. Comprendre comment ces nuances sont classées et désignées constitue le point de départ pour choisir le matériau adapté à une application donnée.
Les nuances de cuivre sont réparties en six familles : les cuivres, les alliages de cuivre dilués, les laits de cuivre, les bronzes, les alliages cuivre-nickel et les alliages nickel-argent. Chaque famille est définie par ses principaux éléments d'alliage et occupe une plage distincte au sein du Système de numérotation unifié (UNS).
Figure 1 : Aperçu des six familles de qualités de cuivre
La première famille, celle des cuivres, est essentiellement constituée de cuivre commercialement pur. Ce matériau est généralement tendre et ductile et contient moins d'environ 0,7 % d'impuretés totales. Les nuances de cuivre commercialement pur sont désignées par les numéros UNS allant de C10100 à C13000.
Au sein de cette famille, le cuivre électrolytique à haute résistance (C11000) est fabriqué à partir de cuivre cathodique, c'est-à-dire de cuivre raffiné par voie électrolytique. C'est la nuance de cuivre électrique la plus courante ; elle offre une conductivité électrique élevée, supérieure à 100 % IACS. Bien que le C11000 présente la même teneur en oxygène que le C12500, il s'en distingue par sa teneur en soufre et par sa pureté globale, puisqu'il contient moins de 50 ppm d'impuretés métalliques totales, soufre compris.
Les cuivres sans oxygène de grades C10100 et C10200 appartiennent également à cette famille. Elles sont obtenues par fusion par induction de cuivre cathodique de première qualité dans des conditions non oxydantes, créées à l’aide d’un bain de graphite granulé associé à une atmosphère réductrice protectrice à faible teneur en hydrogène. Leur grande pureté les rend particulièrement adaptées aux applications électriques et électroniques exigeantes.
La deuxième famille, celle des alliages de cuivre dilués, comprend de petites quantités de divers éléments d'alliage ajoutés afin de modifier une ou plusieurs des propriétés fondamentales du cuivre. Ces ajouts sont maintenus à un faible niveau afin que le matériau conserve une grande partie de la conductivité et de l'usinabilité du cuivre pur, tout en bénéficiant d'améliorations telles qu'une résistance mécanique, une dureté ou une résistance au ramollissement accrues.
Les laitons constituent la troisième famille ; il s'agit d'alliages de cuivre dans lesquels le zinc est le principal élément d'alliage. En faisant varier la teneur en zinc et en ajoutant de faibles quantités d'éléments tels que le plomb, l'étain ou l'aluminium, on obtient une large gamme de couleurs, de résistances, ainsi que de niveaux de formabilité et d'usinabilité. En tant que groupe, les laitons corroyés occupent la gamme UNS à partir de la référence C20500. Ils comptent parmi les alliages de cuivre les plus largement utilisés et entrent dans la fabrication de raccords de plomberie, de pièces de fixation, de quincaillerie décorative et de composants électriques.
La quatrième famille, celle des bronzes, était traditionnellement constituée d’alliages de cuivre et d’étain, mais ce terme englobe désormais plusieurs groupes définis par leur élément d’alliage principal. On y trouve notamment les bronzes à l’étain (également appelés « bronzes au phosphore »), les bronzes à l’aluminium, les bronzes au silicium et d’autres encore. Les bronzes offrent généralement une résistance mécanique supérieure à celle des cuivres et des laitons, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion et à l'usure, ce qui les rend particulièrement adaptés aux roulements, aux bagues, aux ressorts et aux composants marins. En tant que groupe, les bronzes occupent les plages UNS allant de C50000 à C69999.
La cinquième famille, celle des alliages cuivre-nickel, est également connue sous le nom de « cuivro-nickels ». Ces alliages contiennent entre 1,5 % et 45 % de nickel, qui constitue leur principal élément d'alliage. Dans la classification UNS, les alliages de cuivre-nickel corroyés sont désignés par des numéros allant de C70000 à C73499. Ces alliages sont largement utilisés pour la fabrication de pièces de monnaie, d'équipements destinés à un usage en milieu marin, d'évaporateurs, de tubes d'échangeurs de chaleur, ainsi que de systèmes hydrauliques et de refroidissement automobiles, principalement en raison de leur forte résistance à la corrosion en milieu marin.
La sixième famille est celle du maillechort. Malgré son nom, le maillechort ne contient pas d'argent et peut être considéré comme un laiton auquel on a ajouté du nickel. La teneur en nickel varie considérablement, mais se situe généralement entre 9 % et 30 % selon l'application. La teneur en cuivre a tendance à rester relativement constante, entre environ 60 % et 65 %, tandis que la teneur en zinc diminue à mesure que la teneur en nickel augmente. Une teneur en nickel plus élevée confère une couleur plus blanche et une meilleure résistance à la corrosion, mais réduit également la ductilité.
Le maillechort est apprécié pour sa résistance à la corrosion, sa belle couleur et ses bonnes propriétés de formage à froid. Parmi les produits typiques, on trouve notamment les radiateurs de voiture, les stylos à bille, les touches d'instruments de musique, mais aussi les boîtiers de transistors, les contacts électriques, la quincaillerie architecturale et la coutellerie. Dans le système UNS, les alliages de nickel-argent forgés sont désignés par des numéros allant de C73500 à C79999.
Cet article classe le cuivre en six familles d'alliages. Les guides associés de la série « Cuivre » abordent les sujets complémentaires dont vous aurez besoin. Le guide « Propriétés du cuivre » détaille la conductivité, la résistance à la corrosion et la résistance mécanique qui distinguent une famille d'une autre. L'article « Spécifications du cuivre » explique les systèmes de désignation utilisés pour définir précisément chaque nuance, tandis que l'article « Normes relatives au cuivre » présente les cadres réglementaires qui régissent ces désignations dans différentes régions. Ensemble, ces documents établissent un lien entre la classification des nuances et les propriétés, les désignations et les normes qui la sous-tendent.
Les nuances de cuivre se répartissent en cuivres purs, alliages de cuivre à faible teneur, laitons, bronzes, alliages cuivre-nickel et alliages nickel-argent. Chaque famille présente un équilibre spécifique entre conductivité, résistance mécanique, résistance à la corrosion et aptitude au formage.
Le cuivre commercialement pur (UNS C10100 à C13000) est tendre, ductile et contient moins d'environ 0,7 % d'impuretés totales. Les alliages de cuivre dilués contiennent de faibles quantités d'éléments d'alliage ajoutés délibérément afin de modifier une ou plusieurs des propriétés fondamentales du cuivre, tout en conservant une grande partie de sa conductivité et de son usinabilité.
Le laiton est un alliage de cuivre dont le zinc est le principal élément d'alliage, tandis que le bronze était traditionnellement un alliage de cuivre et d'étain. Aujourd'hui, le terme « bronze » englobe également les bronzes d'aluminium, les bronzes au silicium et d'autres alliages similaires. Les bronzes offrent généralement une résistance mécanique plus élevée et une meilleure résistance à l'usure, tandis que les laitons sont appréciés pour leur malléabilité, leur usinabilité et leur aspect esthétique.
Le cuivre électrolytique à pas serré (C11000) est la nuance de cuivre électrique la plus courante ; il offre une conductivité électrique élevée, supérieure à 100 % IACS. Les nuances sans oxygène C10100 et C10200 sont utilisées lorsque une pureté encore plus élevée est requise.
Les alliages cuivre-nickel, qui contiennent entre 1,5 % et 45 % de nickel, sont utilisés pour la fabrication de pièces de monnaie, d'équipements destinés à un usage en milieu marin, d'évaporateurs, de tubes d'échangeurs thermiques, ainsi que dans les systèmes hydrauliques et de refroidissement automobiles, principalement en raison de leur grande résistance à la corrosion par l'eau de mer.