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métallographiques

Nomenclature

Les alliages de cuivre de corroyage de la série 17xxx contiennent principalement du béryllium et du cobalt comme éléments d’alliage. Selon la désignation UNS (unified numbering system), le C17200 est un alliage de corroyage faisant partie de la catégorie des alliages à teneur élevée en cuivre, soit à plus de 96 %. Cette série possède les propriétés mécaniques les plus élevées de tous les alliages de cuivre sur le marché. L’ancienne désignation pour cet alliage était « Alloy 25 », et les désignations équivalentes sont maintenant 2.1247 (DIN), CW101C (EN), CuBe2 (ISO), CDA172 (AISI) et BrB2 (Russie).

Méthode d’élaboration

La barre de 0,625 pouce est obtenue à partir d’une extrusion à chaud d’une billette. Une mise en solution est ensuite appliquée par chauffage de la barre dans un four à atmosphère contrôlée (5 % H₂ et 95 % N₂) à environ 790 °C. Le temps de maintien pour une section de 0,625 pouce est de l’ordre de 30 à 45 minutes pour empêcher le grossissement des grains. La barre est refroidie par trempe à l’eau afin de sursaturer en béryllium et en cobalt dans la matrice de cuivre. Le durcissement structural par précipitation est effectué à environ 315 °C généralement pendant 2 à 3 heures. Cependant, les métallographies montrent que la durée de vieillissement a été prolongée en raison de la présence de CuBe aux joints de grains. La durée estimée du vieillissement est entre 10 et 12 heures, et il s’agit alors d’un état « survieilli » (voir l’onglet Constituants).

Durant le vieillissement, le béryllium et le cobalt associés à d’autres éléments comme le cuivre et le nickel précipitent sous forme de composés très finement dispersés dans la matrice de cuivre. Ces précipités augmentent les propriétés mécaniques par durcissement structural.

Les alliages de cuivre au béryllium ne vieillissent jamais à la température ambiante.

État métallurgique

L’état métallurgique « TF00 » signifie que la barre a été soumise à un traitement de mise en solution suivi d’une trempe, puis à un durcissement structural par précipitation. Les deux chiffres suivants, « 00 », indiquent que le durcissement structural réalisé est « standard ». Si les deux derniers chiffres étaient « 01 » ou « 02 », ils correspondraient respectivement à « dureté faible » et à « dureté élevée ».

L’état « TF00 » doit répondre à la norme ASTM B601-02 pour l’état métallurgique alors que la norme ASTM B196/196M-03 vient définir la composition chimique et les propriétés mécaniques (barres et tiges seulement).

Selon le format du produit, plusieurs autres normes ASTM sont applicables telles que ASTM B197/197M-07 (bobines de fil), ASTM B570-16 (produits extrudés ou forgés) et ASTM B194-15 (plaques, feuilles, bandes et barres laminées).

Remarques sur la composition chimique

Cet alliage de cuivre a une teneur en cuivre de 97,85 % et contient du béryllium, du cobalt, du nickel et du silicium.

Le cobalt et le nickel sont ajoutés pour restreindre le grossissement de la taille des grains durant la mise en solution à haute température (790 °C). Ces deux éléments forment des précipités avec le béryllium et favorisent la dispersion de ces « béryllides » dans la matrice de cuivre. Le cobalt et le nickel améliorent la réponse au vieillissement en agissant comme retardateur au survieillissement lors de temps de maintien prolongés.

L’ajout entre 1,8 % et 2,0 % de béryllium rend cet alliage apte au durcissement structural, ce qui permet d’augmenter considérablement ses propriétés mécaniques. Lors du durcissement structural (vieillissement), le béryllium forme des « béryllides » qui sont des composés de (Cu,Co)Be et de (Cu,Ni)Be. Ces « béryllides », selon leur taille et leur structure cristalline, sont des précipités métastables symbolisés par « γ’ » et « γ’’ ».

Dans l’alliage C17200, la phase d’équilibre CuBe s’appelle « γ » et précipite aux joints de grains. Elle ne peut être formée qu’avec une température élevée de durcissement structural (vieillissement). Ce n’est pas la phase désirée pour procurer un durcissement structural maximal.

Le durcissement structural augmente les propriétés mécaniques de l’alliage et occasionne une légère augmentation de la densité, qui passe de 8,30 g/cm³ à 8,36 g/cm³.Un vieillissement prolongé (une durée et/ou une température supérieure) accroîtra la proportion de phase gamma, ce qui réduira la dureté et la résistance mécanique, mais augmentera la ténacité et la conductivité thermique.

La précipitation du béryllium/cobalt/cuivre permet d’atteindre une conductivité électrique minimale de 22 % IACS à l’état « vieilli ». Lors des traitements thermiques à haute température, cet alliage est sensible à l’oxydation. Ainsi, il doit être nettoyé avec précaution* après la trempe.

*Le béryllium est reconnu pour ses effets sur la santé humaine. Le premier effet, à la suite de contacts cutanés répétés, est une sensibilisation qui se traduit par une réponse immunitaire semblable à une allergie. Le deuxième effet, plus grave, est l’inhalation de particules d’alliage cuivre-béryllium (sous forme de fumées ou de poussières) qui se logent dans les poumons et peuvent causer la bérylliose (pneumoconiose). Cette maladie qui affecte les poumons cause de la toux, des douleurs à la poitrine et une respiration courte (souffle court). Comme il n’existe aucun remède contre cette maladie, tout travailleur élaborant ou manipulant ce type d’alliage cuivre-béryllium doit porter les équipements de protection appropriés et respecter les consignes d’hygiène en milieu de travail.

Remarques sur la microstructure

Sans attaque chimique, la microstructure à fort grossissement d’un alliage cuivre-béryllium C17200 après mise en solution, trempe et vieillissement ne montre que les précipités « béryllides » de (Cu,Co)Be et de (Cu,Ni)Be. Ces précipités apparaissent en gris-bleuté et sont de forme quasi sphérique.

Les attaques chimiques au perchlorure de fer, au Klemm I et au Klemm II révèlent toujours les « béryllides γ’’ et γ’ » en gris ou en gris bleuté. Aux joints de grains, des précipités brunâtres « γ » de CuBe indiquent une durée de vieillissement prolongée correspondant à un survieillissement. Il est également possible de distinguer des macles de recuit à l’intérieur des grains de cuivre ⍺.

Il est à noter que durant le vieillissement, les précipités évoluent, passant de zones de Guinier-Preston (G. P.) vers γ’’, puis γ’ et finalement γ (si durée prolongée). Les précipités γ’, d’une taille de l’ordre de 5 à 10 nanomètres sont ceux qui maximisent la dureté et la résistance mécanique des alliages CuBe.

Selon la « méthode des interceptions » de la norme ASTM E112, la taille des grains correspond à un indice « G » d’environ 8,5, soit une dimension moyenne de 18,9 μm.

Remarques sur les propriétés mécaniques

Une fois le traitement de durcissement structural complété, les propriétés mécaniques de l’alliage C17200 se situent dans la gamme supérieure, pour ne pas dire « au sommet » de tous les alliages de cuivre confondus. À titre comparatif, l’alliage au cuivre-chrome C18200 à l’état TH04 (vieilli) possède une résistance à la traction de 530 MPa et un allongement à la rupture de 17 %, tandis que l’alliage CuBe C17200 possède une résistance à la traction de 1200 MPa à l’état « TF00 » tout en conservant un allongement à la rupture de 9 %.

La résistance mécanique, la dureté et la conductivité sont maximisées à l’état vieilli, mais ces propriétés évolueront avec le temps. Après vieillissement, cet alliage peut tolérer des pointes de température de 300 °C sans risque de diminution de la résistance mécanique.

Les alliages de cuivre au béryllium peuvent être durcis par vieillissement pour atteindre des niveaux de résistance précis. D’un côté, il est possible de produire volontairement un état sous-vieilli qui possède une ténacité, un allongement et une résistance à la fatigue supérieurs. De l’autre côté, la durée de vieillissement peut être augmentée (au-delà de la résistance maximale) pour produire un état survieilli qui procure des conductivités électrique et thermique supérieures ainsi qu’une meilleure stabilité dimensionnelle.

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 solution d’OP-S NON-Dry.

Applications possibles

Les alliages de cuivre-béryllium sont utilisés lorsque les propriétés mécaniques doivent être maximales et combiner certaines propriétés dominantes des alliages cuivreux telles que la conductivité électrique (22 % IACS) ou thermique (105-110 W/m.K). L’alliage C17200, ici appelé « MOLDMAX HH », a été spécialement conçu pour l’industrie de la transformation du plastique, car il offre une combinaison unique de conductivité thermique et de propriétés mécaniques offrant certains avantages significatifs tels qu’un temps de cycle réduit, un contrôle dimensionnel amélioré, une résistance à l’usure en plus d’une bonne usinabilité.

Son usinabilité, sans traitement thermique, est de 20 % par rapport au C36000, qui est l’alliage de cuivre (laiton) de décolletage par excellence. Par contre, si on le compare à l’acier AISI B1112, qui est la référence pour les aciers et les alliages ferreux, le C11000 possède un indice d’usinabilité de 60 %.

Applications typiques : pièces du domaine électrique telles que ponts de contact (contact bridge), pinces, connecteurs, interrupteurs, lames de relais, pinces à fusibles; pièces variées de quincaillerie telles que boulons, vis, attaches, rondelles, rondelles freins, bagues de retenues, goupilles cylindriques; pièces industrielles telles que tubes bourdon (tubes de manomètres), soufflets (bellows), douilles, pompes et composants de pompes, arbres cannelés, ressorts, outils de travail anti-étincelles (pour l’industrie minière), etc.

Provenance/Fabrication

L’alliage Cu-Be est vendu sous l’appellation « MOLDMAX High Hard ». La barre de 0,625 pouce de diamètre est produite par Materion Brush Performance Alloys, Michigan, États-Unis.

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