L’élaboration des alliages de cuivre

Elaboration des alliages de cuivre

Elaboration des alliages de cuivre

De nombreux paramètres doivent être maitrisés lors de l’élaboration des alliages de cuivre afin de garantir leurs propriétés d’usage. Du type de four de fusion, en passant par la préparation de la charge ou les flux utilisés jusqu’au moules ou le dégazage, ces paramètres vont avoir une influence sur la qualité du bain métallurgique et la qualité des pièces. Cet article passe en revue ces différents paramètres.

Les fours de fusion pour les alliages de cuivre

Pour la fusion et le maintien des alliages cuivreux, les fours à gaz et les fours à inductions ont largement remplacé les fours à bois, à coke ou au fuel, utilisés dans le passé. Outre un temps de chauffe élevé, ces anciens fours généraient de la vapeur d’eau, de l’hydrogène, du CO2, …, néfastes à la qualité du métal. Les fours à induction permettent une fusion en environ 60 minutes. La convection générée par l’induction permet d’homogénéiser le bain. Sous réserve de couvrir la surface avec du charbon de bois broyé ou du graphite en poudre, la fusion au four à induction permet de maitriser l’oxydation du bain, de limiter les pertes au feu, la formation de crasses et la reprise en hydrogène. Compte tenu de la vitesse de fusion, le four à résistance n’est pas adapté à la fusion des alliages cuivreux.

La charge

elaboration des alliages de cuivre - scrap de cuivre
elaboration des alliages de cuivre – scrap de cuivre

La charge utilisée pour les alliages de cuivre peut être composée de matériaux purs, de scraps, de retours, d’alliages mères et de lingots d’affinage. Les matériaux purs sont onéreux et leur utilisation ne se justifie que pour des nuances très particulières ou pour le développement de nouvelle nuance. La mise au titre en certains éléments peut être très difficile en fonderie (Si, Ni etc.). Les scraps, à l’opposé des métaux purs,  sont peu chers mais moins nobles et nécessitent des traitements métallurgiques et des contrôles poussés. Leur utilisation peut conduire à des pollutions par des éléments néfastes. Les scraps les plus nobles (chutes de fil machine) sont des matières premières d’un excellent rapport cout/qualité. Les retours, quant-à-eux, sont issus du recyclage interne de chute, appendice de coulée, rebut. Ils contiennent des traces de matériaux de moulage, de fluide de coupe, de désoxydants, …, mais sont facilement réintégrés dans la production. Seul le recyclage des copeaux peut poser des problèmes surtout en termes HSE. On trouve aussi les alliages mères et produits d’addition dont le cout peut être élevé mais qui sont introduits en faible quantité pour obtenir la composition visée ou traiter le bain. Ils sont quasiment incontournables en fonderie. Enfin, les lingots d’affinage pour lesquels l’affineur se substitue au fondeur pour élaborer des lingots titrés. Leur utilisation simplifie les opérations de fusions mais augmente le cout des matières premières. Le choix entre ces différentes matières premières est basé sur l’expérience et le calcul du cout final.

Les précautions à prendre

Bien que le cuivre soit peu oxydable, un stockage inapproprié conduit à la formation d’une couche d’oxyde nuisible à la qualité du bain. Le problème est encore plus prégnant avec des matières très oxydables comme l’étain et le zinc. La surface des métaux doit être nettoyée. L’emploi de matière fortement oxydée doit être évité pour réaliser des alliages « nobles ». Par exemple, les laitons contenant de l’aluminium ne doivent pas être élaborés avec des matières premières notablement oxydées. En effet, le traitement de désoxydation standard avec du zinc ou du cupro-phosphore ne permet pas d’éliminer l’alumine qui se forme obligatoirement. L’alumine ainsi formée se retrouve dans les pièces.

L’utilisation du four à induction simplifie considérablement la constitution de la charge. En effet, la vitesse de la fusion limite les pertes au feu même pour les éléments volatiles. Néanmoins pour les éléments très volatiles il est recommandé de les introduire quand le métal est liquide et le plus tard possible. Afin d’accélérer la fusion, il est conseillé également d’avoir un partie de la charge en morceaux de petites tailles qui « prennent mieux l’induction ». La refusion des masselottes peut être délicate car en plus des oxydes elles contiennent diverses impuretés. Celle des copeaux, tournures, …, nécessite des moyens d’affineurs.

La charge doit donc être séchée pour éviter la reprise d’hydrogène et limiter l’oxydation. Pour cela, la charge est souvent stockée 8 à 24 h dans l’atelier avant son utilisation. Les flux de traitement sont généralement des produits hygroscopiques. Ils doivent donc être soit conservés au sec soit séchés avant utilisation. Dans tous les cas, la constitution de la charge doit être adaptée à la nuance coulée.

Les moules en sable

En moulage en sable à vert, on peut observer des épidémies de soufflures dues à la reprise d’humidité par le moule pendant l’attente entre sa fabrication et la coulée. Le moulage en sable étuvé ne présente pas cet inconvénient. Aujourd’hui, le moulage en sable lié avec une résine synthétique s’est largement répandu ce qui limite considérablement ce type de problème.

Les flux utilisés pour les alliages de cuivre

De nombreux articles ont été publiés sur les flux et leur utilisation. Il apparaît que leur emploi doit être adapté à chaque situation telle que le moyen de fusion et même la situation géographique de la fonderie. Il existe un grand nombre de flux. Les flux de couverture qui limitent les interactions entre le bain et l’atmosphère. Les flux agglomérants et écrémants qui facilitent l’élimination des crasses.  Les flux oxydants qui limitent la teneur en hydrogène dans le bain. Les flux désoxydants qui éliminent l’oxygène du bain. Les flux dégazant qui éliminent les gaz dissous dans le bain, en particulier l’hydrogène. Les flux étant hygroscopiques, ils doivent être stockés dans un lieu propre et sec.

Flux neutres ou de couverture

Une couverture de flux neutre permet de réduire le contact entre le métal et l’air, et donc les pertes au feu. Ils sont souvent à base de borax (acide borique), de silice (verre pilé ou sable) et parfois de chlorure de sodium sec (sel marin décrépité). Pour les laitons, le charbon de bois s’associe à l’oxyde de zinc produit par le laiton et forme une couche pulvérulente homogène.

Cette couverte est imperméable à l’air, même après brassage du bain. L’utilisation de flux de scorification est donc inutile. Le verre (ou le sable) est largement utilisé en couverture. Cependant, il présente des inconvénients majeurs. Sa température de fusion élevée empêche la protection du métal liquide pendant la fusion, et dès que la température baisse, il solidifie sur les parois et les dégrade. De plus, l’acidité du verre favorise la dégradation des réfractaires de four qui sont basiques. Par contre, il protège efficacement de la vaporisation du zinc. Il favoriserait même la formation de porosités dans le CuSn5Zn5Pb5. Son efficacité peut être améliorée en l’associant : à la soude, au charbon de bois ou encore au carbonate de sodium qui abaisse la température de fusion. Le borax et l’acide borique sont efficaces en couverture, mais ils doivent être utilisés en abondance et ils sont chers.

L’emploi des flux de couverture peut être contraire à la fusion oxydante impérative pour les bronzes. Les flux fluorés (CaF2, NaF) permettent de sécher les crasses. Les flux contenant des fluorures, des chlorures, de la silice et du borax permettent de nettoyer les bains des cupro-siliciums et des cupro-aluminiums.

La surface du bain est souvent protégée par une couverte de charbon de bois et parfois de graphite en poudre. La combustion du charbon créé consomme l’oxygène et crée une atmosphère saturée en CO2 limitant la formation d’oxydes et la reprise d’hydrogène. Le charbon de bois contient 3 à 6 % d’eau. Pour qu’il soit efficace il doit être sec. Le plus efficace étant de l’utiliser incandescent car un étuvage est insuffisant pour le sécher. Bien entendu, la couverte doit être suffisante pour couvrir la totalité de la surface de façon continue.

Les flux oxydants

Les flux oxydants sont utilisés pour contrôler le teneur en hydrogène du bain. Ils contiennent souvent du Cu2O et du MnO2.

Les flux désoxydants

Les flux désoxydants (ou réducteurs) contenant des matières carbonées (charbon de bois, graphite, …) sont utilisés pour le cuivre pur et les alliages à basses teneurs en zinc. Ils permettent de limiter la teneur en oxygène et de limiter les pertes au feu. Ils doivent parfois être associés à un flux neutre pour agglomérer les crasses. Les flux de couverture à base de graphite, fluorure ou cryolithe permettent de limiter la teneur en oxygène entre 1 et 2 ppm.

Un bon désoxydant doit répondre à plusieurs critères : affinité pour l’oxygène supérieure à celle du cuivre, oxyde facile à éliminer, facilité d’introduction, pas d’impact négatif d’un excès de désoxydant et enfin faible cout direct ou indirect. L’ensemble de ces critères limitent le nombre de candidats.

La désoxydation au phosphore

La désoxydation au phosphore est largement répandue bien qu’il ne puisse pas éliminer tout l’oxygène. En plus de son action désoxydante, le phosphore améliore la coulabilité et facilite la remontée en surface des autres oxydes et impuretés présentes dans le bain. Pour garantir la désoxydation, il est recommandé d’avoir une teneur résiduelle en phosphore de l’ordre de 0,01 à 0,015 %. La désoxydation par le phosphore est déconseillée pour le cuivre à haute conductivité ainsi que pour les alliages à forte teneur en plomb. En effet, vis-à-vis du cuivre à haute conductivité, le phosphore résiduel abaisse la conductibilité et vis-à-vis des cupro-plombs, la bonne coulabilité due au phosphore favorise la ségrégation du plomb. Pour les cupro-plombs, on utilise le manganèse introduit sous forme de cupro-manganèse.

Pour les cuivres à haute conductivité, le phosphore peut être utilisé mais la teneur résiduelle en phosphore doit être nulle. Il faut donc l’associer soit au borure de calcium, soit au lithium. Le dosage optimum dépend de nombreux facteurs en particulier la teneur en oxygène initiale et finale. Ceci explique le développement du dosage en ligne de l’oxygène. Un excès de désoxydant est nécessaire pour prévenir toute oxydation durant la coulée. La désoxydation complexe (duplex ou triplex) associant phosphore, borure de calcium et/ou lithium est solution la plus efficace, pour un coût non prohibitif.

Le dégazage des alliages de cuivre

Le dégazage peut être réalisé par différents moyens : flux, barbotage de gaz. Le dégazage par barbotage de gaz, peut être réalisé avec l’azote ou l’argon. L’azote est le gaz le plus couramment utilisé. Le gaz doit être exempt d’oxygène et d’humidité. Le traitement est d’autant plus efficace que les bulles sont fines et la hauteur du bain faible. De ce point de vue, l’utilisation d’un rotor est préférable à l’utilisation d’une canne à embout poreux. Il est recommandé de désoxyder, au moins partiellement, avant de dégazer. En cas de fort gazage, une solution simple consiste à lingoter le bain puis à le refondre. En effet, les gaz sont alors rejetés lors de la solidification.

L’utilisation de flux de dégazage est très ancienne. A l’origine, il consistait à introduire des morceaux de calcaire (marbre, dolomite) dans le bain. Le carbonate présent dans ces minéraux  réagit avec le métal liquide et libère des bulles de CO/CO2. Il existe désormais des flux commerciaux plus simple d’emploi.

Conclusions

On l’aura compris, la constitution de la charge et son stockage, les traitements de désoxydation et dégazage sont importants à maîtriser pour éliminer les inclusions et gaz dans les alliages de cuivre et obtenir des propriétés fonctionnelles conformes au cahier des charges de la pièce à produire.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *