CuCrZr face au cuivre pur : quand la conductivité seule ne suffit pas

Dans la plupart des applications industrielles de conductivité, le premier matériau qui vient à l’esprit est le cuivre pur (C11000). Il offre la conductivité électrique la plus élevée de tous les métaux disponibles dans le commerce, ainsi qu’une conductivité thermique équivalente. Pour les applications statiques fonctionnant à une température proche de la température ambiante, c’est souvent le choix le plus approprié.

Mais de nombreuses applications concrètes ne sont ni statiques, ni à température ambiante. Les électrodes de soudage par résistance transportent des courants qui font grimper la température aux extrémités au-delà de 600 °C. Les buses à canal chaud pour le moulage par injection subissent des cycles répétés de contraintes thermiques et de pression plusieurs milliers de fois par jour. Les moules de coulée continue fonctionnent en continu à haute température. Dans ces environnements, le cuivre pur se ramollit, se déforme et perd son intégrité dimensionnelle.

Lorsque cela se produit, le coût ne réside pas dans l’alliage lui-même. Il réside dans les temps d’arrêt, les rebuts et la réduction de la durée de vie des outils.

C’est pour combler cette lacune que le CuCrZr a été développé.

La limite mécanique du cuivre pur

Le comportement de ramollissement du cuivre pur dépend de sa température de recuit, qui se situe entre 200 et 250 °C. Au-delà de cette température, la récupération et la recristallisation effacent tout écrouissage induit lors de la fabrication. La résistance à la traction diminue, la dureté baisse et la pièce commence à se déformer sous des charges qu’elle pouvait auparavant supporter.

Conditions d’exploitation spécifiques dans lesquelles le cuivre pur s’avère insuffisant:

• Les pointes d’électrodes de soudage par résistance, où la densité de courant et la force exercée par l’électrode s’associent à la chaleur
• Les buses à canal chaud pour le moulage par injection, où les contraintes thermiques et de pression cycliques en fonctionnement continu peuvent entraîner une déformation et une usure
• Les contacts et barres omnibus à courant élevé soumis à une charge soutenue
• Les moules de coulée continue exposés au contact avec le métal en fusion
• Le recuit de mise en solution, consistant à chauffer l’alliage à une température à laquelle le chrome se dissout dans la matrice de cuivre.
• Durcissement par vieillissement : réchauffage de l’alliage à une température inférieure, provoquant la formation de fins précipités de chrome dans toute la microstructure 

Dans chaque cas, le mode de défaillance est le même : déformation progressive, perte de tolérance géométrique et remplacement éventuel.

Ce qui change avec le CuCrZr

Le CuCrZr (cuivre au chrome et au zirconium, désigné CuCr1Zr ou C18150) introduit de faibles quantités de chrome (environ 0,5 à 1,5 %) et de zirconium (jusqu’à 0,2 %) dans la matrice de cuivre. À eux seuls, ces ajouts n’auraient que peu d’effet. La transformation résulte du traitement thermique.

Le CuCrZr est traité en deux étapes :

Ces précipités sont trop petits pour diffuser significativement les électrons; la majeure partie de la conductivité électrique et thermique du cuivre est donc conservée. Mais ils sont suffisamment grands et répartis pour immobiliser les dislocations sous contrainte, ce qui confère à l’alliage sa stabilité mécanique.

Le profil de propriétés qui en résulte est inaccessible au cuivre pur, quelles que soient les conditions:

Ce compromis — une conductivité réduite d’environ 15 à 25 % en échange d’une résistance à peu près doublée et d’une température de ramollissement nettement plus élevée — est précisément ce qui rend le CuCrZr applicable dans des conditions où le cuivre pur ne l’est pas.

Où cette différence se manifeste-t-elle en production?

Soudage par résistance

Un capuchon d’électrode en cuivre pur se déforme en forme de champignon après quelques centaines à quelques milliers de soudures, selon le courant et la force appliqués. Les capuchons en CuCrZr conservent leur dureté sur des séries bien plus longues, ce qui se traduit par moins de changements d’électrodes, une qualité de soudure plus constante et un coût par soudure réduit. C’est pourquoi le CuCrZr est le matériau de référence pour les électrodes de classe 2 selon la RWMA.

Buses de moulage par injection

L’acier à outils offre une bonne résistance mais conduit mal la chaleur, ce qui allonge la durée du cycle. Le cuivre pur est un bon conducteur mais se déforme sous contrainte. Les buses à canal chaud en CuCrZr transfèrent efficacement la chaleur tout en résistant aux contraintes mécaniques cycliques, ce qui permet de réduire la durée du cycle et d’améliorer la qualité de surface des pièces sans compromettre la durée de vie de l’outil.

Moules de coulée continue

Les moules en cuivre doivent évacuer la chaleur de l’acier ou des métaux non ferreux en cours de solidification tout en résistant à l’usure et à la fatigue thermique au niveau du ménisque. Le CuCrZr assure une solidification stable sur de longues campagnes.

Contacts et barres omnibus à courant élevé

Sous une charge soutenue, les composants en cuivre pur subissent un fluage et se déforment. Le CuCrZr supporte les mêmes courants tout en conservant sa forme, ce qui améliore la fiabilité des connexions et réduit la maintenance.

Quand le cuivre pur reste le bon choix

Toutes les applications ne nécessitent pas l’utilisation de CuCrZr. Si la température de fonctionnement reste inférieure à 200 °C, que les charges mécaniques sont faibles et que la priorité est donnée à une conductivité maximale, le cuivre pur reste le matériau approprié. Le traitement thermique entraîne un surcoût et ajoute des étapes de fabrication, qui ne se justifient que lorsque les conditions de fonctionnement l’exigent.

Le critère de décision est simple : si la pièce se déforme, se gonfle, subit un fluage ou perd ses tolérances dans les conditions de fonctionnement, le CuCrZr est probablement le meilleur matériau. Dans le cas contraire, le cuivre pur convient parfaitement.

La position d'AMPCO METAL

AMPCO METAL produit l'AMPCOLOY® 972, un alliage de cuivre-chrome-zirconium livré à l’état traité thermiquement avec des propriétés mécaniques et physiques vérifiées. Cet alliage atteint une conductivité électrique de 86 % IACS, une conductivité thermique de 320 W/m·K à 20 °C et une résistance à la traction de 520 MPa sous forme de barre ronde extrudée. Il est exempt de béryllium, classé RWMA Classe 2 et homologué pour des températures de fonctionnement allant jusqu’à 500 °C.

Pour les ingénieurs qui prescrivent du cuivre au chrome-zirconium, la question pratique est rarement « dois-je utiliser du CuCrZr ? ». Elle est plutôt : « quelle forme, quel état et quel fournisseur garantiront des performances prévisibles ? ». C’est là que la rigueur de la production de l’alliage, le contrôle du traitement thermique et les capacités d’usinage importent autant que la composition chimique elle-même.