Etude métallurgique et optimisation de la fabrication d’alliages à base de cuivre coulés en continu : analyse de la ségrégation et des phénomènes de précipitation dans les alliages CuNi15Sn8, CuNi6Si1.8Cr, CuTi3Al2 et CuTi3Sn2.75

Metallurgical study and optimization of the processing of continuous cast copper based alloys : Analysis of the segregation and precipitation phenomena in the CuNi15Sn8, CuNi6Si1.8Cr, CuTi3Al2 and CuTi3Sn2.75 alloys

• Auteur / Autrice : Valérie Lebreton
• Direction : Yves Bienvenu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Conductivité électrique

Propriétés mécaniques

Cuivre -- Alliages

Mots clés libres

Cu-Ni-Sn

Cu-Ni-Si

Cu-Ti-Al

Résumé

Les alliages de cuivre au béryllium, caractérisés par un durcissement structural, sont de par leurs propriétés mécaniques proches de certains aciers (Rm#1230MPa, Re0. 2#1060MPa, A%#6. 5 à l’état trempé écroui revenu). D’autre part, ils présentent de hautes conductivités thermiques et électriques (22%I. A. C. S), une bonne résistance à l’usure et à la corrosion, et ils sont amagnétiques. La conjugaison de ces différentes propriétés permet aux alliages de Cu-Be d’accéder à une large une gamme d'applications (disques de frein pour les avions, électrodes de soudage, ressort Bourdon de la source pour manomètre, cordes de guitare etc. ). Cependant, en plus du coût élevé du béryllium, le principal inconvénient de ces alliages est la présence d’oxyde de béryllium qui est nocif lorsqu’il est inhalé sous forme de poudre ou de vapeur. Malgré toutes les précautions qui peuvent être prises pendant l’élaboration de ces matériaux, le risque demeure. En conséquence, pour préserver des conditions environnementales saines, une politique de recherche d'alliages de substitution possédant des propriétés physiques et mécaniques aussi remarquable que les alliages de Cu-Be a été menée. Au terme d’une étude bibliographique deux principales familles d’alliages riches en cuivre se sont distinguées pour leurs propriétés mécaniques comparables à celles développées par les alliages Cu-Be riches en cuivre : les systèmes Cu-Ni-X (X=Sn, Si) et Cu-Ti-X(X=Al,Sn) dans le coin riche en cuivre. Néanmoins, ces alliages ne sont pas exempts de problème. Par exemple, l’étain a tendance à ségréger lors de la solidification des alliages du système Cu-Ni-Sn élaboré en coulée continue, sans compter que ces mêmes alliages présentent un faible allongement à rupture après revenu. Un autre exemple est la faible conductivité électrique des alliages Cu-Ti (<8%I. A. C. S) en comparaison avec le CuBe2. Donc, pour améliorer ces performances, une optimisation des compositions chimiques et des traitements thermiques s’est avérée nécessaire. A cette fin quatre premiers alliages ont été retenus : le CuNi15Sn8, le CuNi6Si1. 8Cr, le CuTi3Al2 et le CuTi3Sn2. 75. Les travaux de recherche ont débutés par une analyse microstructurale de la ségrégation et des états filés trempés de ces matériaux dans le but d’appréhender les difficultés pouvant être rencontrées lors de leur élaboration. La deuxième partie s’est axée sur les phénomènes de précipitation lors des revenus durcissants où la relation propriétés mécaniques/électriques et microstructure a été établie dans la mesure des connaissances actuelles. Le projet a ensuite été réorienté par les résultats obtenus sur chacun des alliages de référence. Ainsi, l’influence des éléments mineurs a complété l’étude du CuNi15Sn8 tandis l’affinement de la composition en éléments majeurs des alliages CuNi6Si1. 8Cr, CuTi3Al2 et CuTi3Sn2. 75 a été privilégié. Des alliages sont ainsi proposés pour une validation semi-industrielle avec un programme de caractérisation plus complet.

The copper-beryllium alloys characterized by a structural hardening present mechanical properties close to those of high steels (Rm#1230MPa, Re 0. 2#1060MPa, A%#6. 5). On the other hand, they present high thermal and electric conductivities (22%I. A. C. S), a good resistance to wear and to corrosion, and they are non magnetic. The conjugation of these different properties enables Cu-Be alloys to find a broad range of applications (brake discs for planes, welding electrodes, spring Bumblebee for manometer etc). However, in addition to the cost raised by béryllium, the main inconvenience of these alloys is the presence of the beryllium oxide that is harmful when it is inhaled as powder or fume. In spite of all precautions that can be taken during the processing of these materials, the risk stays. Thus, to preserve healthy environmental conditions, a politic of research of substitute alloys having physical and mechanical properties as remarkable as those of Cu-Be alloys has been led. On the basis of a literature survey, two main families of copper rich alloys can be distinguished for their mechanical properties similar to those developed by Cu-Be alloys: the Cu-Ni-X (X=Sn, Si) and Cu-Ti-X(X=Al, Sn) systems in the rich copper side. Nevertheless, these alloys are not exempt of problem. For example, during the solidification processing by continuous casting, tin segregates in the case of Cu-Ni-Sn alloys. After ageing, their elongation is weak. Another example is the electrical conductivity which is very low in the case of the Cu-Ti alloys (<8%I. A. C. S). Therefore, to improve these performances, an optimization of the chemical compositions and of the thermal treatments proved to be necessary. To this end, four alloys have been kept first: the CuNi15Sn8, the CuNi6Si1. 8Cr, the CuTi3Al2 and the CuTi3Sn2. 75. The research started by a microstructural analysis of the segregation and extrusion states of these materials with the objective to assess the difficulties enable to be met during their processing. The second part dealt with the phenomena of precipitation during tempering and the relation mechanical/electrical properties and microstructure has been established in the light of current knowledges. The project has been reoriented then by the results on each of the reference alloys. Thus, the influence of the quaternary and quinary addition elements completed the survey of the CuNi15Sn8 alloy while the refinement of the major elements of the CuNi6Si1. 8Cr alloys, CuTi3Al2 and CuTi3Sn2. 75 has been privileged. Some alloys are proposed for a semi industrial validation and for an exhaustive characterization program.