Normes et propriétés : Métallurgie du cuivre

Par William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

Les propriétés de base des alliages de cuivre sont largement influencées par les propriétés du cuivre lui-même. Le cuivre est connu pour posséder certaines qualités uniques qui en font le meilleur matériau d'ingénierie pour les applications de roulements. Ceux-ci sont:

Les trois qualités ci-dessus sont directement liées à la structure et au comportement de la structure du cuivre à l'échelle atomique.

Le cuivre solide peut être décrit comme l'arrangement des atomes de cuivre dans une configuration cubique à faces centrées (fcc). Un atome de cuivre se trouve à chaque coin et au centre de chaque face d'un cube comme illustré dansFigure 1 . C'est la cellule unitaire qui se répète dans l'espace tridimensionnel pour constituer la structure cristalline du métal.

Les atomes sont maintenus en place dans la structure par l'énergie des attractions atomiques entre eux. C'est cette disposition cubique face centrée particulière des atomes qui confère au cuivre sa ductilité et sa ténacité élevées. Tous les métaux se déforment au moyen d'un mécanisme appelé glissement. Lorsqu'un glissement se produit, une force exercée sur le métal fait glisser les atomes les uns sur les autres par groupes. Dans la structure fcc en cuivre, ce mouvement se produit préférentiellement dans l'une ou l'ensemble des trois directions le long d'un plan géométrique spécifique d'atomes dans le réseau, comme indiqué dansFigure 2.

La combinaison des structures électroniques et cristallographiques du cuivre lui confère une excellente résistance à la corrosion. Le nuage d'électrons libres est facilement disponible pour former des films cohérents sur la surface métallique qui protègent le réseau d'une corrosion supplémentaire.

La structure fcc qui génère les plans de glissement confère une autre caractéristique à ces mêmes plans. Les atomes sur les plans de glissement sont emballés aussi étroitement que possible dans n'importe quel système métallique (Figure 2 ). Cet arrangement efficace d'atomes emballe le plus de matière dans un espace donné (comme les abeilles semblent savoir quand elles construisent des nids d'abeilles). Il est très difficile pour les ions hydrogène de se frayer un chemin à travers les petits espaces entre les atomes et de provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte, sauf dans les environnements les plus agressifs.

Nous avons vu comment le cuivre, le métal de base du bronze coulé, à l'échelle atomique, confère les caractéristiques importantes pour de bons matériaux de roulement. Mais les roulements ne sont pas faits de cuivre pur, mais plutôt d'une large gamme d'alliages de cuivre qui sont maintenant disponibles. Chacun de ces alliages améliore les performances du cuivre pur et adapte davantage le nouveau matériau à des environnements spécifiques. Examinons certains des systèmes d'alliage les plus courants en ce qui concerne la métallurgie du matériau et son objectif dans la conception des roulements.

Les qualités de roulement du bronze coulé peuvent être classées métallurgiquement en trois catégories :

Pour comprendre les performances des différents alliages, nous devons d'abord comprendre ce qui arrive à la structure de base du cuivre lorsque de petites quantités de métaux d'alliage sont ajoutées. Les réactions se produisent lors de la solidification et du refroidissement des alliages à partir de leur état fondu.

En termes simples, la disposition finale des métaux d'alliage par rapport au réseau de cuivre fcc normal détermine les propriétés du matériau d'alliage.

Les métaux d'alliage trouvent leur place dans le réseau de cuivre de trois manières fondamentales :

La recherche a abouti à la représentation graphique de la réaction de systèmes d'alliages binaires simples. Cette représentation est appelée diagramme de phase. Les diagrammes de phase de certains systèmes binaires pertinents pour le bronze montrent le comportement des éléments d'alliage qui se traduit généralement par l'un des trois cas mentionnés précédemment. Le diagramme de phase d'équilibre cuivre-étain (figure 3) illustre les cas (1) et (2).

Un exemple d'un tel alliage commercial monophasé est l'alliage C90300, dont les propriétés sont comparées au cuivre dans le tableau ci-dessous.

Si la teneur en étain est augmentée à 11% ou plus, une partie de la phase alpha se transformera lorsque le métal refroidira en dessous de 400°C. Une nouvelle phase apparaît, parsemée dans les cristaux alpha fcc normaux. Cette phase, appelée delta, peut être conservée dans le matériau avec un refroidissement assez rapide (Figure 5).

La phase delta (bien que toujours fondamentalement fcc) contient beaucoup plus d'étain par rapport au cuivre que ce que l'on trouve dans l'alpha et est très dure et solide mais manque de beaucoup de ductilité. Il apparaît dans les meilleures conditions sous forme d'îlots finement dispersés dans la microstructure du matériau. L'influence de cette deuxième phase sur le mécanisme de glissement est dramatique, ayant pour effet de bloquer les plans de glissement après de petits degrés de mouvement. Mais la phase delta augmente également considérablement la résistance à l'usure du matériau, comme l'indique l'augmentation significative de la dureté. Les alliages de bronze d'aluminium populaires (C95400 et C95500) et les bronzes de manganèse (C86300 et C86400) acquièrent leur haute résistance et leur dureté de la même manière, bien que les acteurs soient différents. Néanmoins, les propriétés sont le résultat de la dispersion d'une ou plusieurs autres phases dans le réseau fcc de base, dans presque tous les cas, la phase dispersée étant beaucoup plus dure et plus résistante que la masse du matériau de matrice environnant. Ces "discontinuités artificielles" dans le matériau servent à ancrer les plans de glissement et à restreindre leur mouvement.

Ces matériaux sont connus sous le nom d'alliages polyphasés et se caractérisent par une résistance, une dureté et une résistance à l'usure supérieures à celles des alliages alpha ; mais ils présentent beaucoup moins de ductilité comme le montre le tableau ci-dessous. En conséquence, ils sont mieux adaptés aux pièces de gouverne où l'intégrité dimensionnelle est la plus importante et aux charges lourdes et aux chocs à basse vitesse, les roulements de train d'atterrissage d'avion, par exemple.

Une caractéristique supplémentaire des alliages polyphasés est que leurs propriétés peuvent varier avec la température à des degrés significatifs par rapport aux matériaux monophasés. De tels alliages sont souvent traitables thermiquement. Grâce à la manipulation de la microstructure de l'alliage comme indiqué sur le diagramme de phase d'équilibre en "court-circuitant" l'équilibre, certaines propriétés peuvent être obtenues qui sont absentes à l'état brut de coulée.

Dans tous les cas, les matériaux polyphasés qui ne contiennent pas de quantités importantes de plomb ne doivent être utilisés que comme appuis contre des surfaces de contact en acier qui ont elles-mêmes été durcies par traitement thermique. Dans le cas d'applications en bronze d'aluminium ou en bronze de manganèse, il est souvent recommandé que l'arbre soit chromé ou fabriqué à partir d'un matériau bimétallique similaire à celui utilisé pour les rouleaux d'aciérie.

Aujourd'hui, il est possible de produire un matériau à base de cuivre avec une teneur en plomb supérieure à 30 %, dans lequel la taille des particules de plomb est à l'échelle microscopique. D'autre part, si l'application de roulement indique que des particules de plomb plus grosses sont plus souhaitables, il est également possible de produire l'alliage sous cette forme.

Le plomb remplit trois fonctions de roulement importantes, qui servent toutes à protéger l'arbre et à améliorer les performances de la machinerie. La capacité des particules de plomb à diminuer le coefficient de frottement entre le roulement et l'arbre est d'une importance primordiale. Le mécanisme par lequel cela est accompli est assez intéressant. Les particules de plomb sont libres d'être cisaillées de la surface d'appui par des aspérités microscopiques sur la surface de l'arbre. L'arbre en acier se recouvre de plomb qui est progressivement redistribué pour combler les points bas de l'arbre. Une fois ceci accompli, le coefficient de frottement n'augmente plus que légèrement, comme indiqué dans le tableau ci-dessous (référence 4). Ce même phénomène présente un avantage supplémentaire en ce que la température développée aux points de contact entre le roulement et la pièce rapportée est limitée par la température de fusion du plomb 327, C). Évidemment, cette propriété des alliages au plomb est très précieuse en l'absence de lubrification (prévue ou accidentelle) ou si l'environnement de fonctionnement de la machine est lui-même soumis à de larges températures extrêmes, par exemple sur des avions ou des équipements de champs pétrolifères arctiques.

La deuxième fonction importante du plomb est d'absorber la saleté qui pénètre dans l'interface, bien que ce problème puisse être évité grâce à la conception de roulements correctement étanches dans la mesure du possible.

Troisièmement, les alliages au plomb, ayant une résistance légèrement inférieure à celle des alliages cuivre-étain sans plomb, et une résistance bien inférieure à celle des alliages cuivre-aluminium ou cuivre-zinc, présentent des degrés élevés de conformabilité. C'est-à-dire que le roulement ajustera sa forme pour permettre un mauvais alignement ou des vibrations. Cette caractéristique, couplée à celles décrites précédemment, permet de dire que les alliages au plomb s'useront très bien, une caractéristique particulièrement souhaitable pour les engrenages à vis sans fin, pour ne citer qu'un exemple. Les bronzes contenant du plomb sont également facilement usinables.

L'ingénieur doit se rappeler que ces alliages ne sont pas aussi solides que les matériaux sans plomb, et qu'ils ne présentent pas non plus une résistance aussi grande au martèlement et à la fatigue subséquente conduisant à la rupture. Une considération réconfortante, cependant, est qu'une défaillance totale du roulement n'est pas susceptible de détruire l'arbre ou de gripper la machine, en raison de la "douceur" de ces alliages.

En sélectionnant la matrice appropriée dans laquelle les particules de plomb seront coulées, l'ingénieur peut choisir parmi une gamme assez large de résistance du matériau compatible avec des charges modérées à légères et des vitesses élevées, comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Les valeurs sont pour des coulées continues de moins de 3 pouces de diamètre.

Passons maintenant en revue les familles d'alliages de bronze pour roulements au moyen de deux tableaux qui comparent certaines de leurs propriétés techniques les plus importantes.Tableau 1résume les compositions chimiques et les propriétés d'application.Tableau 2indique les utilisations les plus courantes de ces matériaux et leurs qualités de performance dans les environnements d'application dans lesquels ils trouvent le plus d'utilisation.

Tous les alliages indiqués dans les tableaux sont essentiellement des variantes des matériaux fondamentaux qui ont été discutés. Dans certains cas, du plomb peut avoir été ajouté pour améliorer l'usinabilité (C92500 vs. C90700). Peut-être que du nickel a été ajouté pour augmenter la résistance ou la résistance à la corrosion (C95500 contre 95400). La teneur en manganèse et en fer peut être modifiée pour stabiliser certaines structures (C86300 vs C86400). Le zinc peut avoir été substitué à l'étain par souci d'économie (C90500 vs C90700). Un alliage a été créé à partir de la disponibilité actuelle des matériaux de rebut (C93200 de C83600 et C93700) et est maintenant peut-être l'alliage de roulement le plus largement utilisé. C'est un très bon compromis. Néanmoins, chaque matériau possède un ensemble unique de propriétés qui conviendront le mieux à une appréciation particulière.

Quelques mots sur l'économie relative des matériaux d'alliage sont importants. Tous les composants en alliage sont soumis à l'influence des marchés mondiaux, où leurs niveaux de prix sont déterminés par l'offre, la demande, les contrôles gouvernementaux et les intérêts spéculatifs. Les fluctuations du marché mondial de ces composants finissent par se répercuter sur le coût du métal composite pour les alliages, ce qui influence également la valeur de rebut du matériau lorsqu'il est retiré du service.Tableau 3montre les valeurs relatives générales approximatives du cuivre et des principaux matériaux d'alliage, au moment où cela a été écrit.

Les alliages de cuivre de qualité roulement sont disponibles sous de nombreuses formes produites par diverses méthodes de fabrication. Les méthodes de production en fonte sont résumées dansTableau 4.

La coulée en moules de sable ou de refroidissement sont des méthodes de production idéales idéales pour les très petites séries ou les très petites pièces et sont parfois obligatoires pour les très grandes pièces telles que les hélices de navires.

Tous les alliages discutés sont disponibles sous ces formes, bien que des problèmes de ségrégation sévère du plomb puissent survenir lorsque la teneur en plomb approche les 16 %. Une large gamme de tailles et de formes complexes peut être moulée. Les laitons rouges, qui sont très populaires comme matériaux de quincaillerie de plomberie, sont produits par ces méthodes, principalement sous la forme de corps de vannes et de raccords.

Encore une fois, tous les alliages en question sont facilement produits par la méthode de coulée centrifuge, à l'exception des bronzes à l'étain à haute teneur en plomb dans lesquels la teneur en plomb approche les 20 %. Les problèmes de ségrégation du plomb sont sensibles à la taille de la coulée. De très grandes bagues sont fabriquées par cette méthode. Il est probable que la plupart des bagues de plus de 14 pouces de diamètre extérieur et jusqu'à environ 100 pouces de diamètre extérieur soient des pièces moulées centrifuges. Ces pièces moulées peuvent être fabriquées dans des longueurs supérieures à 100 po. Néanmoins, les petites pièces moulées centrifuges sont également des articles à volume élevé. De nombreux roulements à collerette ou ébauches d'engrenages plus grands sont fabriqués par cette méthode. Bien que sensibles à la quantité de production, les petites séries peuvent être très économiques. Les distributeurs stockeurs maintiennent des stocks de pièces coulées centrifugées semi-finies, principalement dans les tailles standard et en particulier dans les alliages C95400 et C93200.

Tous les alliages sont disponibles en barres moulées en continu ; la ségrégation du plomb n'est généralement pas un problème. Il peut être nécessaire de détendre certaines pièces moulées à parois très minces, en particulier si l'alliage est C95400, C95500 ou C86300, pour éviter une perte de jeu ou de tolérance dans la fabrication et l'utilisation. Une large gamme de tailles de barres de section solides, tubulaires et sur mesure est disponible. Les diamètres vont de moins de 0,500 po à environ 14 po de diamètre extérieur, dans des longueurs allant jusqu'à environ 13 pi. Il est possible de produire des barres à parois très minces, parfois inférieures à 1/4 po, selon le diamètre extérieur. Ces produits sont parfaitement adaptés pour une fabrication ultérieure à l'aide de machines-outils automatiques.

De plus grandes quantités de produits de coulée continue sont considérablement plus économiques, mais encore une fois, les distributeurs de stockage absorbent une grande partie de cette charge, en particulier en ce qui concerne les alliages C95400, C93200 et C90300.

Les alliages de bronze phosphoreux forgé (C51000, C52100, C52400, C54400) sont parfois utilisés dans les applications de roulements. Ces alliages sont également disponibles en coulée continue à l'état recuit. Le bronze phosphoreux forgé est généralement limité à environ 3 po de diamètre extérieur et moins. C54400 a la plus haute teneur en plomb disponible, environ 4 %. Il n'est pas possible d'extruder ou de laminer des alliages à forte teneur en plomb.

Les alliages d'aluminium et de bronze au manganèse ont également des équivalents corroyés. Les alliages corroyés ont de très fortes propriétés mécaniques, ayant été sévèrement travaillés soit par extrusion, étirage, laminage ou forgeage et sont largement utilisés dans les applications aérospatiales. Certains de ces alliages sont utilisés comme matériaux de soudure. Ces alliages sont également disponibles sous différentes formes extrudées, bien que la variété disponible dépende assez de la quantité. Le traitement thermique des alliages coulés produit des propriétés mécaniques similaires aux matériaux corroyés, tout comme la coulée continue des bronzes d'aluminium. D'une manière générale, de grandes quantités de production sont nécessaires pour rendre les produits corroyés économiques, bien que les distributeurs stockeurs aient assumé cette charge pour l'utilisateur final de petites quantités.

Certains producteurs, ainsi que de nombreux distributeurs de stockage et maisons de roulements ont des stocks de bagues finies standard, en particulier en alliage C93200. Ces pièces sont produites en série et facilement disponibles.

Un certain nombre d'ateliers d'usinage se spécialisent dans la production de roulements, en particulier les conceptions non standard et les alliages critiques fabriqués sur commande. Ces ateliers exploitent des centres d'usinage sophistiqués. Utilisant les meilleurs équipements disponibles, ils sont capables du plus haut degré de précision dans la production de pièces et maintiennent des normes élevées de contrôle de la qualité des matériaux. Ces établissements desservent les établissements OEM et les services de maintenance des grandes entreprises qui choisissent de ne pas fabriquer leurs propres roulements. Ils fournissent un service économique et connaissent très bien la technologie et les sources d'alliages de qualité pour roulements qui conviendront le mieux à la production d'un roulement donné.

L'ingénierie métallurgique, bien qu'étant une science, est aussi un art. La recherche, une vaste expérience et une compréhension approfondie des propriétés que les éléments d'alliage peuvent conférer au métal de base en cuivre sont essentielles à une bonne conception des matériaux. Il est tout aussi important de comprendre les aspects économiques associés aux matériaux, à la production de pièces et au fonctionnement des machines d'utilisation finale. Les propriétés remarquables du cuivre, du laiton et du bronze ont profité aux industries du monde entier grâce à leurs performances fiables, leur disponibilité générale et leur qualité économique.