Différences entre le cuivre, le laiton et le bronze

Introduction

On qualifie souvent le cuivre, le laiton et le bronze de métaux rouges. Bien que leur couleur soit très similaire, leur composition, leurs propriétés et leurs applications diffèrent considérablement. Comprendre ces différences est essentiel pour choisir le matériau le plus adapté à votre projet. Cet article compare les propriétés de ces trois métaux sous différents angles et explore leur influence sur leurs applications, afin de vous fournir des informations et des suggestions précieuses pour le choix des matériaux de votre projet.

Différences entre le cuivre, le laiton et le bronze

Apparence

Bien que le cuivre, le laiton et le bronze soient tous des “ métaux rouges ”, leurs compositions différentes leur confèrent des aspects métalliques différents.

Le cuivre pur naturel présente une teinte brun rougeâtre avec un éclat métallique.

Le laiton présente un aspect brillant et doré, semblable à celui de l'or. Alliage de cuivre et de zinc, sa couleur dépend de sa composition chimique. À forte teneur en cuivre, le laiton tend vers le brun rougeâtre du cuivre pur ; à forte teneur en zinc, il tend vers un jaune doré éclatant.;

Le bronze a une couleur or foncé générale.

Qualités courantes et composition chimique

Cuivre

Le cuivre est l'un des rares métaux purs que l'on trouve à l'état naturel. Voici quelques types courants de cuivre pur.

Cuivre sans oxygène

Le cuivre sans oxygène, ou OFC, est un type de cuivre pur raffiné par électrolyse. Sa teneur en oxygène est inférieure à 0,0011 ‰, soit quasiment nulle.

Cuivre électronique sans oxygène (OFE)

Ce cuivre pur présente une teneur en cuivre de 99,991 % TP3T et une teneur en oxygène de 0,00051 % TP3T. Il est élaboré dans un environnement rigoureusement contrôlé et exempt d'oxygène.

Cuivre électrolytique à brame dure (ETP)

Ce type de cuivre pur est principalement produit par électrolyse. C'est le cuivre pur le plus couramment utilisé dans les applications électriques. Sa pureté est de 99,91 % TP3T et sa teneur en oxygène est comprise entre 0,021 % TP3T et 0,041 % TP3T.

Cuivre désoxydé à haute teneur en phosphore (DHP)

Le cuivre DHP est obtenu par désoxydation du cuivre à l'aide de phosphore, ce qui permet d'obtenir du cuivre pur présentant une excellente résistance à la corrosion. Ce cuivre pur est fréquemment utilisé dans des applications exigeant une conductivité électrique élevée et une bonne résistance à la corrosion, comme les conducteurs de câbles, les transformateurs, les contacteurs, etc., dans le secteur de l'énergie.

cuivre tellure

Le cuivre telluré est un alliage de cuivre auquel on ajoute une infime quantité de tellure. L'ajout de tellure améliore les propriétés de transformation du matériau. Le cuivre telluré est idéal pour la fabrication d'outils de coupe variés.

cuivre au béryllium

Le cuivre-béryllium est un alliage de cuivre auquel on ajoute du béryllium (0,5–3%) à du cuivre pur. Le béryllium permet d'accroître considérablement la résistance et la dureté du matériau. Le cuivre-béryllium est utilisé pour la fabrication d'engrenages de précision, de roulements et d'autres pièces résistantes à l'usure.

Tableau des nuances et de la composition chimique du cuivre pur et des alliages de cuivre

Laiton

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, le cuivre étant l'élément majoritaire. Il représente environ les deux tiers du total, tandis que le zinc en représente environ un tiers. Des éléments supplémentaires tels que l'arsenic, le plomb, le phosphore, l'aluminium, le manganèse et le silicium peuvent être ajoutés pour améliorer les performances des alliages cuivre-zinc. Voici quelques types d'alliages de laiton courants :

Laiton d'amirauté

Le laiton d'amirauté est un alliage de cuivre et de zinc contenant environ 70 % de cuivre, 29 % de zinc et 11 % d'étain. L'étain lui confère une meilleure résistance à la corrosion, particulièrement utile dans les applications marines. Les différentes nuances de laiton d'amirauté se distinguent principalement par leur teneur en arsenic, antimoine et phosphore. Ce laiton est généralement transformé en feuilles et en tubes et sert à la fabrication de tubes de condenseur, d'évaporateur, d'échangeur de chaleur, de distillateur et d'alambic.

Cuivres de la marine

Le laiton naval est composé d'environ 59,1 % de cuivre, 40,1 % de zinc et 11,1 % d'étain, ainsi que d'une faible quantité de plomb. Comparé au laiton d'amirauté, il présente une teneur en cuivre plus faible et une teneur en zinc plus élevée. L'étain contenu dans sa composition permet de limiter la lixiviation du zinc. Le laiton naval est largement utilisé dans la fabrication d'accastillage.

Laiton jaune et laiton rouge

Le laiton jaune est un alliage cuivre-zinc à haute teneur en zinc. Sa teneur en cuivre est d'environ 60 à 70 % et celle en zinc d'environ 30 à 40 %. Le laiton rouge, quant à lui, se caractérise par une teneur élevée en cuivre (généralement 85 %) et en zinc (15 %). On le compare souvent au laiton jaune. Du fait de sa forte teneur en cuivre, le laiton rouge présente une couleur rougeâtre et une excellente résistance à la corrosion. Il est utilisé pour la fabrication de produits métalliques destinés à l'eau de mer ou à des environnements chimiques. Le laiton jaune, enfin, a une haute teneur en zinc, ce qui lui confère un aspect doré et une bonne usinabilité. Il sert à la fabrication d'éléments décoratifs, de poignées de porte, de luminaires, d'accessoires, etc.

Cartouche en laiton

Le laiton des cartouches est principalement composé d'environ 70 % de cuivre (Cu) et 30 % de zinc (Zn). Cet alliage cuivre-zinc est largement utilisé dans la fabrication des étuis de cartouches, d'où son nom.

Laiton à décolletage

Le laiton de décolletage contient environ 60 % de cuivre et environ 35 % de zinc. Il contient également entre 2,5 % et 3,0 % de plomb. Lors de la coupe, les particules de plomb agissent comme un lubrifiant, ce qui permet une évacuation plus propre et plus facile des copeaux, d'où son nom.

Laiton architectural

Le laiton architectural contient 60 % de cuivre et entre 30 % et 40 % de zinc. L'ajout de plomb et de fer améliore la usinabilité et la résistance de l'alliage. Sa haute teneur en zinc lui confère une teinte dorée et un aspect esthétique raffiné, particulièrement adapté à certaines structures architecturales extérieures.

Horloge en laiton

Le laiton d'horlogerie contient environ 60 % de cuivre et entre 30 % et 40 % de zinc, complétés par des traces de plomb et de fer. Le plomb et le fer améliorent la résistance, la durabilité et l'usinabilité de l'alliage cuivre-zinc, ce qui permet d'utiliser ce laiton pour la fabrication de pièces de précision, notamment pour les montres.

Tableau des nuances et de la composition chimique des alliages de laiton

Bronze

Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain, dont la teneur en étain varie de 12,5 à 12,1 %. On peut y ajouter d'autres éléments métalliques, comme l'aluminium, le manganèse, le nickel, le zinc, des non-métaux tels que le phosphore, ou des métalloïdes comme l'arsenic ou le silicium. Ces éléments additionnels permettent d'améliorer les propriétés des alliages cuivre-étain.

Bronze d'aluminium

Le bronze d'aluminium est un bronze dont l'aluminium est le principal élément d'alliage, avec une teneur en aluminium d'environ 41 % à 111 %. Il contient également d'autres éléments tels que le fer, le nickel et le manganèse. Reconnu pour sa robustesse et sa résistance à la corrosion, le bronze d'aluminium est principalement utilisé pour la fabrication de paliers lisses et de composants de trains d'atterrissage d'aéronefs, de composants de vannes, de composants de moteurs (notamment pour les navires de haute mer), de fixations sous-marines pour navires et d'hélices de navires.

Bronze phosphoreux

Le bronze phosphoreux est un alliage de phosphore et de cuivre. Sa teneur en étain varie de 0,51 à 111 % (TP3T), et celle en phosphore de 0,011 à 0,351 % (TP3T). L'étain améliore la résistance à la corrosion et la solidité du bronze phosphoreux, tandis que le phosphore améliore sa résistance à l'usure et sa rigidité. L'ajout de 0,51 à 31 % (TP3T) de plomb permet d'améliorer ses propriétés de coupe. Le bronze phosphoreux est utilisé pour la fabrication de ressorts, de boulons, de bagues, de roulements, etc.

Bronze à l'étain

Le principal élément d'alliage du bronze à l'étain est l'étain, dont la teneur peut atteindre 12% et plus. Il contient également des traces de plomb. Le bronze à l'étain présente une excellente aptitude au moulage et une haute résistance à la corrosion, ce qui le rend idéal pour la fabrication d'engrenages, de bagues, de paliers, de roues de pompe, etc.

Alliages de bronze à l'étain à haute teneur en plomb

Cet alliage de bronze à l'étain présente une teneur élevée en plomb, de l'ordre de 71 à 301 %. Cette forte teneur lui confère une excellente conductivité thermique et une grande facilité d'usinage. Les alliages de bronze à l'étain possèdent un mécanisme de dégradation lente qui permet de prévenir temporairement l'usure et le grippage. Ce mécanisme repose sur la diffusion du plomb hors de l'alliage et son dépôt sur la surface du tourillon. C'est pourquoi cet alliage est largement utilisé dans la fabrication de paliers et de bagues.

Bronze au silicium

Le principal composant du bronze au silicium est le silicium, présent en une teneur de 2,51 à 61 %. À proprement parler, cet alliage de cuivre peut être qualifié de laiton rouge au silicium ou de bronze rouge au silicium, selon sa teneur en zinc et en étain. Plus la teneur en zinc est élevée et celle en étain faible, plus l'alliage se comporte comme du laiton ; à l'inverse, plus la teneur en étain est élevée et celle en zinc faible, plus ses propriétés se rapprochent de celles du bronze. Le silicium confère à cet alliage cuivre-silicium une meilleure résistance à la corrosion en milieu marin, ainsi qu'une résistance et une dureté supérieures.

Bronze au manganèse

Le bronze au manganèse est un alliage de bronze à haute résistance. Les éléments d'alliage, tels que le manganèse, l'aluminium et l'étain, augmentent considérablement sa résistance mécanique et sa résistance à la corrosion. Le bronze au manganèse présente une résistance à la traction pouvant atteindre 110 000 PSI. Il convient aux applications exigeant une résistance à l'usure et une capacité de charge élevées.

Nuances et composition chimique des alliages de bronze

Dureté

Des trois matériaux, le laiton présente la plus grande dureté dans des conditions normales. Alliage de cuivre et de zinc, le laiton doit sa dureté et sa résistance au zinc. Plus la teneur en zinc est élevée, plus sa dureté est grande et plus il résiste aux contraintes mécaniques et au frottement. Le laiton est idéal pour la fabrication d'engrenages de précision, de vannes, de pièces de quincaillerie, de connecteurs électroniques et autres applications exigeant une bonne résistance à l'usure et une grande robustesse mécanique. La dureté du bronze conventionnel est inférieure à celle du laiton. Cependant, l'ajout d'éléments d'alliage permet d'améliorer significativement sa dureté. Le bronze phosphoreux, le bronze au silicium, le bronze d'aluminium, etc., présentent tous une dureté supérieure à celle du laiton. Par ailleurs, le bronze offre une excellente résistance à la corrosion et est largement utilisé dans le secteur maritime, notamment pour les installations offshore, les navires, les hélices, etc. Pour les applications marines, le bronze constitue une solution alliant dureté et résistance à la corrosion. Le cuivre, quant à lui, possède la plus faible dureté, ce qui n'est pas son principal atout. Toutefois, lors du choix des matériaux, il est important de garder à l'esprit que plus un matériau est dur, plus il est fragile.

Force

Lorsqu'on parle de la résistance d'un matériau, on se réfère généralement à sa résistance à la traction et à sa limite d'élasticité. Le bronze possède la résistance à la traction et la limite d'élasticité les plus élevées des trois matériaux, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications exigeant une grande résistance, une forte résistance à l'usure et une bonne capacité de charge, comme les engrenages et les engrenages à vis sans fin, les paliers et les coussinets lisses, les hélices marines, etc. Le laiton est moins résistant que le bronze ; il est donc principalement utilisé pour des pièces mécaniques peu sollicitées ou non soumises à de fortes contraintes, comme les raccords de vannes, les écrous et les boulons, etc. Le cuivre est le moins résistant des trois métaux et ne convient pas aux applications exigeant une forte résistance à la pression.

Point de fusion et formabilité à chaud

De manière générale, lors du formage à chaud, plus le point de fusion du matériau est bas, plus la température de chauffage requise est basse, plus la consommation d'énergie est faible et plus le formage est aisé. Le tableau ci-dessous présente, à titre indicatif, les plages de points de fusion de trois matériaux. Le point de fusion du cuivre pur est de 1084 °C, celui du laiton se situe entre 900 °C et 1025 °C, et celui du bronze entre 600 °C et 913 °C. Le cuivre ayant le point de fusion le plus élevé, sa mise en forme à chaud consomme davantage d'énergie. Le laiton, dont le point de fusion est inférieur à celui du cuivre, offre de meilleures performances de formage à chaud. Le bronze, dont le point de fusion est encore plus bas que celui du laiton, présente d'excellentes performances de formage à chaud.

Résistance à la corrosion et durabilité

Les principaux composants du cuivre pur, du laiton et du bronze sont des éléments de cuivre. Au contact de l'oxygène, ces éléments réagissent pour former une couche dense d'oxyde de cuivre (CuO) ou d'oxyde cuivreux (Cu₂O). Cette couche d'oxyde protège le métal contre l'oxydation et la corrosion.

Les alliages de bronze, tels que le bronze à l'étain, le bronze à l'aluminium et le bronze au manganèse, contiennent de l'étain, de l'aluminium et du manganèse. Ces éléments réagissent avec l'oxygène pour former une couche d'oxyde qui protège le matériau de la corrosion et le rend également résistant à la corrosion par les sulfures et les chlorures. Par conséquent, comparé au cuivre et au laiton, le bronze est plus adapté aux applications en milieu naturel ou marin.

Les principaux composants des alliages de laiton courants sont le cuivre et le zinc. Bien que le zinc améliore la plasticité du laiton, il est lui-même très corrosif. En milieu marin ou chloruré, le zinc agit comme une anode, provoquant l'oxydation de l'eau de mer par des ions zinc. Ces ions réagissent avec d'autres composants de l'eau de mer (chlorures, sulfures, etc.) pour former des sels de zinc ou d'autres produits de corrosion. Ces produits peuvent engendrer des piqûres ou des fissures localisées à la surface du métal, accélérant ainsi sa corrosion.

Le bronze présente donc la meilleure résistance à la corrosion et est le plus robuste et le plus durable des trois matériaux. Le cuivre pur offre une résistance à la corrosion légèrement inférieure à celle du bronze. Le laiton, quant à lui, présente la plus faible résistance à la corrosion et est sujet aux fissures dans certaines applications marines.

Conductivité thermique

Dans les équipements électroniques et les applications telles que les radiateurs et les échangeurs de chaleur, la conductivité thermique est un critère essentiel dans le choix des matériaux. Elle détermine la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Parmi les matériaux, le cuivre possède la conductivité thermique la plus élevée ; c'est pourquoi on retrouve fréquemment des tubes à ailettes en cuivre dans les échangeurs de chaleur, et même des modules de dissipation thermique en cuivre pur sur certaines cartes mères d'ordinateurs portables. La conductivité thermique du laiton est inférieure à celle du cuivre pur, mais ses bonnes propriétés mécaniques le rendent adapté aux applications exigeant à la fois durabilité et une conductivité thermique moyenne. Le bronze, quant à lui, présente la conductivité thermique la plus faible et n'est pas un matériau approprié pour ce type d'applications.

Conductivité électrique

Dans les domaines du transport d'énergie, des composants électroniques et des câbles, la conductivité électrique est un facteur déterminant dans le choix des matériaux. D'après les deux tableaux ci-dessous, le cuivre pur possède une conductivité électrique très élevée, juste après l'argent, et constitue le conducteur électrique idéal. Cette excellente conductivité explique son utilisation fréquente dans les câbles, les fils et les équipements électroniques. La conductivité électrique du laiton se situe entre celle du cuivre pur et celle du bronze. Le laiton convient aux applications nécessitant une conductivité électrique moyenne ; le bronze, quant à lui, est adapté aux applications électriques qui n'exigent pas une conductivité élevée, mais qui requièrent également une bonne résistance à la corrosion, à l'usure et une résistance mécanique adéquate.

* Les valeurs de conductivité sont exprimées par rapport au cuivre. La mention 100% n'indique pas une absence de résistance.

usinabilité et soudabilité

cuivre pur

Le cuivre pur présente une faible dureté et une faible résistance, ce qui le rend très plastique et ductile lors de sa transformation. Il supporte d'importantes déformations à froid sans se rompre facilement, et convient donc à diverses opérations de transformation à froid telles que l'étirage, l'emboutissage, l'extrusion, etc. Le cuivre pur offre de bonnes performances de coupe, nécessite une faible force de coupe et réduit l'usure des outils ; toutefois, il convient de veiller à éviter le collage. Du fait de sa faible résistance, le cuivre pur est peu performant dans les applications exigeant une haute résistance, mais convient parfaitement à la plupart des applications nécessitant une faible résistance.

En matière de traitement thermique, le cuivre pur présente une bonne stabilité thermique et retrouve sa grande plasticité après recuit, ce qui le rend adapté aux procédés de transformation à chaud. Ses propriétés de soudage sont également excellentes et les méthodes de soudage courantes (telles que le soudage à l'arc et le soudage au gaz) peuvent être appliquées sans problème au cuivre pur.

Bronze

Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain (ou d'autres éléments comme l'aluminium ou le manganèse), généralement caractérisé par une résistance et une dureté élevées. Du fait de cette dureté, son usinabilité est relativement faible, notamment en coupe, ce qui exige une force de coupe importante et des outils de haute qualité, et donc une usure rapide de ces derniers. Le bronze présente une faible plasticité, en particulier à forte teneur en étain, et est sujet à la fissuration ou à la rupture lors du travail à froid ; un travail à chaud est donc généralement nécessaire pour améliorer sa plasticité.

Le bronze, et plus particulièrement le bronze à haute teneur en étain, présente une faible aptitude au soudage. Le point de fusion de l'étain (231,93 °C / 449,47 °F) est inférieur à celui du cuivre (1084 °C / 1983 °F). Lors du soudage, une surchauffe locale de l'alliage peut entraîner une dissolution rapide de l'étain, créant des zones de faiblesse et augmentant ainsi le risque de fissures.

Laiton

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, plus résistant que le cuivre pur tout en conservant une bonne malléabilité. Sa dureté et sa résistance modérées le rendent usinable entre le cuivre pur et le bronze. Le laiton offre de bonnes performances de coupe : comparé au bronze, il nécessite moins d'effort de coupe et n'adhère pas facilement à la lame. Il est adapté à l'usinage à grande vitesse et de précision. Sa bonne malléabilité le rend particulièrement adapté au travail à froid, notamment pour la fabrication de pièces à parois minces et de pièces de précision.

En matière de traitement thermique, le laiton présente une bonne stabilité thermique, et sa plasticité ainsi que ses propriétés de mise en œuvre peuvent être améliorées par recuit. Le laiton offre une bonne soudabilité ; les procédés de soudage courants peuvent être appliqués efficacement, et les fissures ou les joints desserrés sont rares lors du soudage. Le laiton possède une meilleure résistance à l'usure que le cuivre pur, mais inférieure à celle du bronze, et convient aux applications mécaniques et de construction générales, telles que la tuyauterie, les éléments décoratifs et les pièces mécaniques.

Par conséquent, en termes de performances de traitement du matériau, le cuivre pur présente les meilleures performances, suivi du laiton, tandis que le bronze présente de faibles performances.

Poids

Le poids est un facteur déterminant pour distinguer le cuivre, le bronze et le laiton. Le cuivre est le plus lourd, avec une masse volumique de 8 960 kg/m³. Le bronze a une masse volumique de 8 800 kg/m³ et le laiton de 8 720 kg/m³. Le cuivre est donc plus lourd que le bronze et le laiton est le plus léger.

Coût

En général, le prix des matériaux est influencé par de nombreux facteurs, tels que la composition spécifique de l'alliage et le procédé de fabrication. Le cuivre pur est généralement le plus cher des trois métaux. Premièrement, sa teneur en cuivre est bien supérieure à celle du bronze et du laiton. Deuxièmement, sa production se déroule sous atmosphère inerte, ce qui engendre des coûts élevés. Quant au bronze, il est principalement composé d'un alliage de cuivre et d'étain, auquel on ajoute d'autres éléments d'alliage (comme l'aluminium ou le manganèse), tandis que le laiton est principalement composé d'un alliage de cuivre et de zinc. Le coût de l'étain étant généralement supérieur à celui du zinc, le bronze coûte plus cher que le laiton.

Par conséquent, en termes de coût, le cuivre pur est plus cher que le bronze, et le laiton est le moins cher.

Tableau comparatif simplifié du cuivre, du laiton et du bronze

Dans la section précédente, nous avons comparé en détail les avantages et les inconvénients du cuivre, du bronze et du laiton sous différents angles et en abordant leurs applications. Le tableau ci-dessous vous permettra de comparer rapidement ces trois matériaux.

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