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métallographiques

Nomenclature

Les séries d’alliages de cuivre de corroyage 10xxx, 11xxx, 12xxx et 13xxx comprennent les alliages de cuivre à haute pureté. L’alliage C10100 est l’alliage commercial de cuivre ayant la plus haute teneur en cuivre, avec 99,99 %. Cet alliage fait partie du groupe des « OFC » (oxygen free copper), ce qui signifie que ces alliages de cuivre contiennent très peu ou pas d’oxygène. Plus précisément, l’alliage C10100 fait partie du sous-groupe des « OFE » (oxygen free electronic), ce qui signifie qu’il a été élaboré pour les applications électroniques. Les désignations équivalentes pour l’alliage C10100 (UNS) sont CW009A (EN), CDA101 (SAE) et Cu-C2 (AFNOR).

Méthode d’élaboration

L’élaboration du cuivre pur OFE se fait en plusieurs étapes d’affinage qui requièrent des produits carbonés, généralement l’injection de méthane (aucun usage d’autres métaux ni de désoxydants chimiques). L’alliage est coulé en billette ronde, et la barre de 0,625 pouce est obtenue à partir d’une extrusion à chaud de cette billette.

État métallurgique

L’état métallurgique « H04 » correspond à un état « dur » avec un taux d’écrouissage de 35 %. L’état « H04 » a des répercussions sur la conductivité électrique (à 20 °C), qui passe à 97 % IACS par rapport à une conductivité électrique de 101 % IACS lorsque ce même alliage est à l’état recuit. L’alliage C10100 doit répondre aux spécifications des normes ASTM suivantes :

1. Norme ASTM B601-02 pour la désignation selon les étapes de transformation subies;
2. Norme ASTM B187-11 pour des applications standards (produits sous forme de barres, de tiges, ou de formes diverses);
3. Norme ASTM B49-98 pour des applications électriques et électroniques.

Puisque l’état du présent échantillon d’alliage C10100 est « H04 », il n’est pas destiné à des applications électriques. Il doit ainsi répondre aux spécifications de la norme ASTM B187-11.

Remarques sur la composition chimique

L’alliage de cuivre C10100 est pratiquement un « cuivre pur », avec une teneur de 99,99 %. Cet alliage est considéré comme « libre d’oxygène », avec une teneur maximale de 5 ppm d’oxygène, et est l’alliage de cuivre commercial le plus pur sur le marché. À titre comparatif, le C10200 atteint 99,95 % (Cu+Ag) avec une teneur en oxygène maximale de 10 ppm. Comme tout excès d’impuretés réduit la conductivité électrique, la quantité d’impuretés totale pour l’alliage C10100 est définie comme la somme des teneurs des éléments suivants : tellure, sélénium, bismuth, antimoine, arsenic, étain, fer, nickel, soufre, argent*, oxygène, cadmium, phosphore, zinc et manganèse. L’échantillon de cet alliage de cuivre contient 99,997 % de cuivre et sa teneur en oxygène est de 2,2 ppm.

*L’argent est limité à 25 ppm dans l’alliage C10100.

Remarques sur la microstructure

Sans attaque chimique, il y a présence de « points noirs », qui sont causés par le polissage mécanique. Le polissage au nitrate de fer permet d’obtenir une surface exempte d’incrustations noires/brunes comme le fait le polissage mécanique, mais vient « préattaquer » la surface de l’échantillon.

Les attaques chimiques au Klemm, au Klemm II et au perchlorure de fer révèlent clairement les joints de grains ainsi que les macles de recuit.

La microstructure de l’alliage C10100 écroui à froid (35 % d’écrouissage) est composée entièrement de petits grains de phase α-riches en cuivre. À l’intérieur des grains, des lignes rectilignes de différences nuances de gris/brun correspondent à des zones maclées. Les zones maclées ne réfléchissent pas la lumière de la même façon. L’orientation cristallographique du plan poli est différente de part et d’autre de la macle. Selon la « méthode des interceptions » de la norme ASTM E112, la taille des grains correspond à un indice « G » de 7,5, ce qui donne une dimension moyenne des grains de 26,7 µm.

Remarques sur les propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des barres de C10100 à l’état « H04 » doivent répondre à la norme ASTM B187/B187M-11. Le travail à froid effectué (état « dur ») permet d’augmenter la résistance mécanique, qui est située entre 195-255 MPa (cuivre pur état recuit) et 275-380 MPa. Cet état « H04 » le situe dans la médiane inférieure pour l’ensemble des alliages de cuivre, mais dans la gamme supérieure pour les alliages visés par la norme ASTM B187, soit les alliages des séries 10xxx, 11xxx et C12000.

Un test mécanique important effectué sur les tiges et barres de cuivre pur est le pliage : celui-ci doit atteindre un angle de 120° à l’état H04. À noter que la très faible teneur en oxygène rend cet alliage peu sensible à la fragilisation par l’hydrogène.

Préparation métallographique

1. Meulage : 2x (500 grains, 1 min.), 2x (800 grains, 1 min.), 2x (1200 grains, 2 min.);
2. Polissage avec particules diamantées MD-MOL 3 µm (6 min.), MD-NAP 1 µm (8 min.), MD-CHEM avec nitrate de fer (19 g +100 ml H₂O + 100 ml éthanol).

Fiches d’alliages associés

• Cu-03 C11000-H04(Cuivre électrolytique ou ETP))

Applications possibles

La teneur élevée en cuivre rend l’alliage C10100 insensible aux atmosphères réductrices. C’est un alliage très ductile qui possède une excellente aptitude à l’emboutissage ou à d’autres opérations de travail à chaud ou à froid.

Son usinabilité est de 20 % par rapport au C36000, qui est l’alliage de cuivre (laiton) de décolletage par excellence. Par contre, lorsqu’il est comparé à l’acier AISI B1112, qui est la référence pour les aciers et les alliages ferreux, le C10100 possède un indice d’usinabilité de 60 %.

Son principal domaine d’application est l’industrie des conducteurs et de l’électronique en raison de sa conductivité électrique et thermique élevée.

Applications électroniques typiques : câbles coaxiaux, câbles de raccordement d'ordinateurs, câbles sous-marins à fibre optique, dissipateurs thermiques pour diodes, redresseurs et autres composants, fils conducteurs pour disjoncteurs et modules, équipements micro-ondes, composants de radars, composants de transistors.

Applications électriques typiques : enroulements de bobinage pour moteurs induits, barres omnibus, pièces à tête froide telles que broches de connecteurs, câbles flexibles, enroulements de moteurs et de générateurs, anneaux de collecteurs, interrupteurs, contacts et enroulements de bobines de transformateurs.

D’autres applications industrielles : bus bar, anodes, joints d’étanchéité pour application « métal-verre » ou sous-vide, etc.

Provenance/Fabrication

La barre de 0,625 pouce a été produite par Luvata Pori Oy, une compagnie du groupe Mitsubishi Materials Corporation, Satakunta, Finlande.

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