Le cuivre est l’un des métaux non ferreux les plus utilisés — et avec ses alliages que sont le laiton, le bronze et le cupronickel, il forme une famille de matériaux que tout concepteur devrait connaître. Les alliages de cuivre associent une excellente conductivité électrique et thermique à une bonne aptitude au formage et à une bonne résistance à la corrosion.
Cet article présente les propriétés du cuivre, les différents types de cuivre pur et d’alliages de cuivre, la lecture des désignations des alliages de cuivre ainsi que les points à surveiller lors de l’usinage de pièces en cuivre et en laiton.
Propriétés essentielles du cuivre, base des alliages de cuivre
Le cuivre (Cu) est un métal non ferreux important, presque aussi largement utilisé dans l’industrie que l’aluminium. Ses principales propriétés :
- Excellente conductivité électrique et thermique — la deuxième parmi les métaux, juste après l’argent
- Tendre, très ductile et facile à mettre en forme
- Ne devient pas fragile à basse température
- Entièrement recyclable sans perte de qualité
- Bonne résistance à la corrosion grâce à une couche protectrice qui se forme en surface avec le temps
- Antimicrobien, ce qui le rend adapté aux surfaces fréquemment touchées et à la plomberie
- Belle teinte rougeâtre, appréciée pour les matériaux de construction décoratifs
En revanche, le cuivre est plus lourd que l’acier : sa masse volumique d’environ 8,9 g/cm³ est supérieure à celle du fer.
Types de cuivre pur
On appelle cuivre pur les matériaux en cuivre dont la teneur en cuivre est égale ou supérieure à 99,90 %. Selon leur teneur en oxygène, on distingue trois types principaux :
| Type | Désignation | Oxygène | Conductivité | Fragilisation par l’hydrogène | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|---|
| Cuivre sans oxygène | Cu-OF, CW008A (JIS C1020) | Quasiment nulle | Très élevée | Insensible | Électronique, technique du vide, pièces brasées et soudées |
| Cuivre électrolytique (Cu-ETP) | Cu-ETP, CW004A (JIS C1100) | Faible teneur | Très élevée | Sensible en cas de chauffage sous atmosphère réductrice | Barres omnibus, câbles, composants électriques |
| Cuivre désoxydé au phosphore | Cu-DHP, CW024A (JIS C1220) | Nulle ; contient du phosphore résiduel | Plus faible | Insensible | Tubes, échangeurs de chaleur, composants brasés et soudés |
Le cuivre électrolytique est le type le plus courant. Sa faible teneur en oxygène le rend sensible à la fragilisation par l’hydrogène lorsqu’il est soudé, brasé ou recuit sous atmosphère contenant de l’hydrogène. Pour ces applications, il vaut mieux choisir un cuivre sans oxygène ou désoxydé.
Propriétés du cuivre pur
Parmi les matériaux en cuivre, le cuivre pur présente la conductivité électrique et thermique la plus élevée. Il est amagnétique. Valeurs typiques :
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Masse volumique | 8,89–8,94 g/cm³ |
| Résistance à la traction | Env. 220–360 N/mm², selon l’état métallurgique |
| Dureté | Env. 40–110 HV, selon l’état métallurgique |
| Module d’Young | Env. 117 kN/mm² |
| Conductivité électrique | Env. 100 % IACS |
| Coefficient de dilatation thermique | 16,8 × 10⁻⁶/K |
| Conductivité thermique | Env. 390–398 W/(m·K) |
| Point de fusion | Env. 1 083 °C |
| Point d’ébullition | Env. 2 560 °C |
Avantages et inconvénients du cuivre pur
Avantages
- Conductivité électrique et thermique la plus élevée de tous les matériaux en cuivre
- Tendre et facile à mettre en forme
- Bonne résistance à la corrosion atmosphérique et dans l’eau
Inconvénients
- Lourd par rapport à l’acier et à l’aluminium
- Se ternit avec le temps ; les surfaces de contact ou les pièces visibles reçoivent souvent un revêtement
- Sa mollesse et son caractère collant rendent l’usinage plus exigeant que celui du laiton
Types d’alliages de cuivre
Le cuivre s’allie facilement à d’autres métaux, ce qui modifie considérablement ses propriétés. Le tableau donne un aperçu des principaux groupes ; les sections suivantes les détaillent un par un.
| Alliage | Principal élément d’alliage | Propriétés principales | Applications typiques | Exemple EN |
|---|---|---|---|---|
| Laiton | Zinc | Très bonne usinabilité, couleur dorée | Raccords, robinetterie, pièces de décolletage, connecteurs | CW614N (CuZn39Pb3), CW509L (CuZn40) |
| Bronze | Étain | Plus dur, résistant à l’usure et à la corrosion | Paliers, bagues, engrenages, ressorts | CW453K (CuSn8) |
| Cupronickel | Nickel | Excellente résistance à l’eau de mer, couleur argentée | Tuyauteries marines, échangeurs de chaleur, pièces de monnaie | CW352H (CuNi10Fe1Mn) |
| Cuivres faiblement alliés | Faibles quantités, p. ex. de béryllium ou de chrome | Conductivité proche de celle du cuivre avec une résistance mécanique plus élevée | Ressorts, contacts, électrodes | CW101C (CuBe2) |
Laiton
Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc. Il offre une excellente ductilité, une bonne aptitude au forgeage à chaud et une très bonne usinabilité, et il est légèrement plus léger que le cuivre pur. Son éclat doré le rend apprécié pour les pièces visibles. Les laitons de décolletage comme le CW614N contiennent une petite quantité de plomb, qui fragmente les copeaux et en fait l’un des métaux les plus faciles à usiner. Pour les applications en contact avec l’eau potable, des nuances de laiton sans plomb sont obligatoires.
Bronze
Le bronze est un alliage de cuivre et d’étain. Exposé à l’atmosphère, il se couvre lentement d’une patine verte. Plus dur que le cuivre pur et doté d’un point de fusion plus bas, il a été l’un des premiers métaux utilisés par l’homme. Aujourd’hui, on l’emploie pour les paliers lisses, les bagues, les engrenages, les ressorts et les équipements marins, ainsi que pour les cloches et les sculptures.
Cupronickel
Le cupronickel est un alliage de cuivre et de nickel, souvent additionné de faibles quantités de fer et de manganèse. De couleur argentée, il présente une excellente résistance à l’eau de mer, d’où son utilisation pour les tuyauteries marines, les échangeurs de chaleur et les pièces de monnaie.
Cuivres faiblement alliés
Les cuivres faiblement alliés contiennent plus de 96 % de cuivre. Ils offrent une conductivité thermique et électrique proche de celle du cuivre pur, tout en présentant une résistance mécanique et une tenue à la chaleur supérieures. On les utilise dans les appareils de précision comme les ordinateurs et les smartphones, ainsi que dans les composants automobiles. Leurs propriétés dépendent des éléments ajoutés : le cuivre-béryllium, par exemple, associe conductivité électrique et excellentes propriétés élastiques.
Comment lire les désignations des alliages de cuivre
En Europe, les matériaux en cuivre sont désignés selon la norme EN 1412 par un code à six caractères, par exemple CW614N :
- C signifie cuivre.
- La deuxième lettre indique la forme du produit : W pour les produits corroyés tels que barres, tôles et tubes, C pour les pièces moulées.
- Le nombre à trois chiffres identifie le matériau individuel.
- La dernière lettre indique le groupe de matériaux : par exemple A ou B pour le cuivre, C ou D pour le cuivre faiblement allié, H pour le cuivre-nickel, K pour le cuivre-étain (bronze), L ou M pour le cuivre-zinc (laiton) et N ou P pour le cuivre-zinc-plomb (laiton de décolletage).
Le CW614N est donc un alliage corroyé cuivre-zinc-plomb — un laiton de décolletage. Outre ce numéro, la composition chimique est souvent indiquée, par exemple CuZn39Pb3.
Les fiches techniques internationales utilisent souvent la désignation japonaise JIS : un « C » suivi de quatre chiffres, par exemple C1100 pour le cuivre électrolytique ou C3604 pour le laiton de décolletage. Le premier chiffre indique le groupe d’alliages, par exemple 1 pour le cuivre et les cuivres faiblement alliés, 2 pour le laiton et 3 pour le laiton au plomb.
Conseils d’usinage du cuivre et du laiton
Le cuivre et ses alliages sont tendres, ce qui facilite leur coupe — mais cette mollesse pose aussi des difficultés, en particulier avec le cuivre pur.
- Bavures : le cuivre pur étant tendre et très ductile, il a tendance à former des bavures et à s’étaler lors de la coupe.
- Arête rapportée : le matériau collant adhère à l’arête de coupe et forme une arête rapportée, qui dégrade l’état de surface et la précision dimensionnelle.
- Chaleur : l’usinage génère de la chaleur, qui doit être évacuée par un liquide de coupe. Certains liquides de coupe aqueux peuvent tacher le cuivre ; on recommande donc souvent des huiles de coupe ou des liquides compatibles avec le cuivre.
Pour réduire les efforts de coupe, utilisez des outils bien affûtés avec un grand angle de coupe positif et travaillez à des vitesses de coupe élevées. Le laiton de décolletage comme le CW614N est bien plus simple : ses copeaux courts permettent un usinage rapide et propre de pièces tournées et fraisées complexes. Pour en savoir plus sur les procédés eux-mêmes, consultez nos articles sur le procédé de tournage et le procédé de fraisage.
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| Matériau | Type | Disponible pour |
|---|---|---|
| EN CW008A équiv. (cuivre sans oxygène) | Cuivre sans oxygène | Fraisage CNC |
| EN CW004A équiv. (cuivre électrolytique) | Cuivre électrolytique (Cu-ETP) | Fraisage CNC |
| EN CW509L équiv. (Laiton, laiton jaune) | Laiton | Fraisage CNC |
| EN CW614N équiv. | Laiton de décolletage | Fraisage CNC et tournage CNC |
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Questions fréquentes sur les alliages de cuivre
Quelle est la différence entre le cuivre, le laiton et le bronze ?
Le cuivre est le métal pur. Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, très facile à usiner et de couleur dorée. Le bronze est un alliage de cuivre et d’étain, plus dur et plus résistant à l’usure, ce qui le rend idéal pour les paliers et les bagues.
Le cuivre est-il magnétique ?
Non. Le cuivre pur est amagnétique, tout comme les nuances courantes de laiton et de bronze. Les matériaux en cuivre conviennent donc aux applications à proximité d’électronique sensible et de champs magnétiques.
Quel matériau en cuivre est le plus facile à usiner ?
Le laiton de décolletage comme le CW614N (CuZn39Pb3). Sa teneur en plomb fragmente les copeaux, ce qui permet de l’usiner rapidement avec un très bon état de surface. Le cuivre pur est bien plus exigeant, car il est tendre et collant.
Quelle est la différence entre CW004A et CW008A ?
Le CW004A (Cu-ETP) contient une faible quantité d’oxygène et constitue le cuivre standard pour les applications électriques. Le CW008A (Cu-OF) est sans oxygène : il n’est donc pas sensible à la fragilisation par l’hydrogène et il est privilégié pour les applications soudées, brasées et sous vide.
Alliages de cuivre : choisir le bon matériau
Le cuivre est un métal non ferreux presque aussi largement utilisé que l’aluminium. Il offre une conductivité thermique et électrique élevée et se recycle facilement. La famille des alliages de cuivre comprend le cuivre pur, le laiton, le bronze, le cupronickel et les cuivres faiblement alliés. Si le cuivre s’usine facilement, les bavures et l’arête rapportée exigent une attention particulière — et pour les pièces usinées complexes, le laiton de décolletage est souvent le choix le plus économique.