Qu'est-ce que le bronze d'aluminium ? Propriétés, composition et utilisations

Le bronze d'aluminium désigne une famille d'alliages à base de cuivre dont l'élément d'alliage principal est l'aluminium, généralement présent à raison de 5 % à 12 % en poids. Contrairement aux bronzes traditionnels qui contiennent de l'étain, le bronze d'aluminium associe le cuivre à l'aluminium et souvent à de faibles quantités de fer, de nickel et de manganèse, ce qui permet d'obtenir un matériau doté d'une résistance mécanique exceptionnelle, d'une résistance remarquable à la corrosion et d'une bonne résistance à l'usure.

Cette combinaison fait du bronze d’aluminium un matériau de choix pour les composants utilisés dans des environnements exigeants. Les pompes et hélices de l’industrie maritime, les équipements pétroliers et gaziers, les trains d’atterrissage aérospatiaux, les composants des aciéries et les machines industrielles lourdes s’appuient tous sur cet équilibre unique de propriétés.

AMPCO METAL est un pionnier dans le développement des alliages de bronze d’aluminium depuis 1914, mettant à profit plus d’un siècle d’expertise métallurgique dans la gamme de produits AMPCO®. Ce guide explique ce qu’est le bronze d’aluminium, sa composition et les domaines dans lesquels il offre les meilleures performances.

Qu’est-ce que le bronze d’aluminium ?

Le bronze d'aluminium est un alliage de cuivre dans lequel l’aluminium (5 à 12 %) remplace l’étain en tant qu’élément d’alliage principal. La teneur en aluminium confère à l’alliage une couleur dorée caractéristique et lui procure des avantages mécaniques et chimiques significatifs par rapport aux bronzes standard. Ce matériau est réputé pour :

• Une résistance à la traction et une limite d’élasticité élevées
• Une excellente résistance à la corrosion, en particulier dans l’eau de mer et les milieux acides
• Une résistance supérieure à l’usure et au grippage
• De bonnes performances à des températures élevées
• Un comportement anti-étincelage et non magnétique

Ces caractéristiques font du bronze d’aluminium l’un des alliages techniques les plus polyvalents, avec des applications allant des composants aérospatiaux de précision aux hélices marines de grande taille en passant par les composants d’aciéries.

Composition chimique

La composition générale du bronze d’aluminium comprend:

La composition exacte varie selon la nuance et l’application prévue. Une teneur plus élevée en aluminium augmente la dureté et la résistance à la traction, mais réduit la ductilité. Le fer agit comme un affineur de grain et renforce la résistance. Le nickel améliore considérablement la résistance à la corrosion, en particulier contre la corrosion par piqûres et la corrosion sous contrainte dans les environnements marins. Le manganèse améliore la coulabilité et renforce la ténacité.

Le mode de fusion, de coulée et de mise en œuvre de l’alliage a également son importance. Chez AMPCO METAL, le procédé breveté MICROCAST® utilise un brassage magnéto-hydrodynamique pendant la coulée afin d’obtenir une microstructure à grains fins exceptionnellement homogène, ce qui se traduit directement par des propriétés mécaniques plus constantes et une durée de vie plus longue.

Propriétés mécaniques et physiques

Le bronze d’aluminium offre un profil de propriétés que peu d’autres alliages de cuivre peuvent égaler :

Les valeurs spécifiques dépendent de la nuance et du type de traitement (moulé, forgé ou traité thermiquement). Le bronze d’aluminium conserve également ses propriétés mécaniques à des températures pouvant atteindre environ 350 °C, ce qui étend sa plage d’utilisation bien au-delà de celle de nombreux autres alliages de cuivre.

Pourquoi le bronze d’aluminium se décline en différentes nuances

Il n’existe pas de bronze d’aluminium unique. Cette catégorie regroupe de nombreuses formulations, chacune optimisée pour offrir un équilibre spécifique entre résistance mécanique, ductilité, résistance à l’usure, comportement face à la corrosion et usinabilité.

La gamme de produits AMPCO® s’articule autour de ce principe :

• Les nuances à usage général privilégient la ductilité et la résistance à la corrosion pour les applications marines, industrielles et de génie mécanique en général, notamment l’AMPCO® 8 et l’AMPCO® 18
• Les nuances à haute résistance traitées thermiquement sont destinées aux applications soumises à des charges lourdes et aux chocs, telles que l’AMPCO® 18.23 et l’AMPCO® 18.136
• Les alliages durs optimisent la dureté et la résistance à l’usure pour les outils de formage et le travail des métaux, notamment l’AMPCO® 21, l’AMPCO® 22, l’AMPCO® 25 et l’AMPCO® 26
• Les nuances haut de gamme à hautes performances répondent aux spécifications les plus exigeantes de l’aérospatiale et des applications critiques pour la sécurité, notamment l’AMPCO® 45 et l’AMPCO® M4

Plusieurs nuances AMPCO® sont conformes aux normes aérospatiales et industrielles, la spécification applicable dépendant de la forme du produit. L’AMPCO® 45 est conforme à la norme AMS 4640 et à la norme ASTM B 150 pour les extrusions, et à la norme AMS 4880 pour les pièces moulées. AMPCO® M4 est conforme à la norme AMS 4590 pour les extrusions et à la norme AMS 4881 pour les pièces moulées.

Une sous-catégorie (AMPCO® 8, AMPCO® 18, AMPCO® 22 et AMPCO® M4) est également homologuée pour les applications en contact avec les denrées alimentaires.

Applications du bronze d’aluminium

La combinaison de la résistance mécanique, de la résistance à la corrosion et de la résistance à l’usure rend le bronze d’aluminium adapté à certains des environnements industriels les plus exigeants.

Secteur maritime et offshore

Pompes à eau de mer, vannes, hélices, manchons d’arbre et éléments de fixation. Le bronze d’aluminium résiste à l’encrassement biologique et supporte une exposition constante à l’eau de mer sans dégradation significative. AMPCO® 8 et AMPCO® 18 sont des références courantes pour les composants maritimes et de traitement.

Pétrole et gaz

Équipements de forage, outils de fond de puits et composants exposés à des milieux acides ou à des environnements sous haute pression. Les applications liées au gaz acide spécifient souvent le bronze d’aluminium en raison de sa résistance au sulfure d’hydrogène.

Aérospatiale

Douilles de train d’atterrissage, guides de soupapes et composants de roulements. Le rapport résistance/poids élevé de l’alliage et sa fiabilité sous des charges cycliques le rendent particulièrement adapté aux pièces aérospatiales critiques. AMPCO® M4 et AMPCO® 45 sont largement spécifiés pour les roulements et les bagues aérospatiaux, la norme applicable dépendant de la forme du produit. AMPCO® 45 est conforme à la norme AMS 4640 et ASTM B 150 pour les extrusions et à la norme AMS 4880 pour les pièces moulées. L’AMPCO® M4 est conforme à la norme AMS 4590 pour les extrusions et à la norme AMS 4881 pour les pièces moulées.

Composants pour aciéries

Plaques de glissement, écrous à visser et pièces d’usure soumises à des chocs importants. Les nuances traitées thermiquement, telles que l’AMPCO® 18.136, sont spécialement conçues pour ces environnements soumis à des charges élevées et à des chocs importants.

Cintrage de tubes et formage des métaux

Mandrins de cintrage de tubes, rouleaux de formage et matrices d’étirage. Lors du formage de l’acier inoxydable, le bronze d’aluminium empêche l’accumulation de nickel et le grippage qui affectent les aciers à outils. Les nuances AMPCO® 21, AMPCO® 22, AMPCO® 25 et AMPCO® 26 sont conçues pour ces applications.

Machines industrielles

Roulements, engrenages, roues à vis sans fin, plaques coulissantes et sièges de soupapes. Le bronze d’aluminium supporte des charges élevées avec un grippage minimal, même dans des conditions sèches ou faiblement lubrifiées.

Défense et sécurité

Outils anti-étincelles, fabrication de munitions, d’équipements de défense et d’équipements destinés aux atmosphères explosives. Les propriétés non magnétiques et anti-étincelles du bronze d’aluminium sont essentielles pour ces applications critiques en matière de sécurité. AMPCO® 45 et AMPCOLOY® 83 sont des références courantes pour les outils de sécurité anti-étincelles.

Moulage par injection de plastique

Inserts et noyaux de moules nécessitant une conductivité thermique élevée, une stabilité dimensionnelle et une résistance à l’usure pour des séries de production longues.

Avantages du bronze d’aluminium

• Haute résistance comparable à celle de l’acier à teneur moyenne en carbone
• Résistance exceptionnelle à la corrosion dans l’eau de mer, la saumure et de nombreux acides
• Excellente résistance à l’usure et au grippage
• Conserve ses propriétés à des températures élevées (jusqu’à environ 350 °C)
• Non magnétique et ne produisant pas d’étincelles
• Bonne résistance à la fatigue
• Entièrement recyclable
• Barres et tiges (rondes, rectangulaires, hexagonales)
• Plaques et tubes
• Billettes et anneaux
• Pièces forgées et extrudées
• Pièces moulées en continu et par centrifugation
• Pièces moulées au sable

Formes et disponibilité

Le bronze d’aluminium est produit sous une large gamme de formes afin de s’adapter à différents procédés de fabrication :
La forme choisie dépend de la taille de la pièce, des propriétés requises et des opérations en aval telles que l’usinage, le soudage ou le traitement thermique.

Questions fréquentes

• Le bronze d’aluminium est-il plus résistant que l’acier ?
  Certaines nuances de bronze d’aluminium atteignent des résistances à la traction similaires à celles de l’acier à teneur moyenne en carbone (550-900 MPa) tout en offrant une résistance à la corrosion nettement supérieure ainsi qu’un comportement non magnétique et ne produisant pas d’étincelles. Le choix entre les deux dépend de l’environnement et des exigences spécifiques.

• Le bronze d’aluminium rouille-t-il ?
  Le bronze d’aluminium ne rouille pas comme les métaux ferreux. La teneur en aluminium forme une fine couche d’oxyde solidement adhérente à la surface qui protège le métal sous-jacent contre toute corrosion ultérieure, même en eau de mer.

• Le bronze d’aluminium est-il identique au bronze ?
  Non. Le bronze traditionnel est un alliage de cuivre et d’étain. Le bronze d’aluminium utilise de l’aluminium (5 à 12 %) à la place de l’étain comme principal élément d’alliage, ce qui lui confère des propriétés différentes, généralement une résistance mécanique plus élevée et une meilleure résistance à la corrosion.

• Le bronze d’aluminium est-il magnétique ?
  Non. Le bronze d’aluminium est non magnétique, ce qui le rend utile dans les applications où les interférences magnétiques doivent être évitées.

• Le bronze d’aluminium peut-il être soudé ?
  Oui, mais cela nécessite des procédures appropriées. Les procédés de soudage TIG et MIG sont couramment utilisés. Le préchauffage, le contrôle minutieux de l’apport thermique et l’utilisation de métaux d’apport adaptés permettent d’éviter la fissuration à chaud et de préserver les propriétés mécaniques.

• Le bronze d’aluminium est-il adapté au contact alimentaire ?
  Certaines nuances le sont. Les nuances AMPCO® 8, AMPCO® 18, AMPCO® 22 et AMPCO® M4 sont homologuées pour les applications en contact alimentaire.

Étape suivante : choisir la bonne nuance

Les propriétés décrites ci-dessus sont représentatives de la famille des bronzes d’aluminium dans son ensemble, mais la nuance adaptée à une application donnée dépend de la combinaison spécifique des charges, des températures, des milieux corrosifs et de l’environnement d’usinage dans lequel vous travaillez.

Le prochain article de cette série — « Nuances de bronze d’aluminium AMPCO® : comment choisir la bonne » — passe en revue la gamme de produits AMPCO® et fournit un cadre décisionnel pour choisir la nuance adaptée à votre application..

Pour des conseils personnalisés, l’équipe d’ingénieurs d’AMPCO METAL peut vous aider à sélectionner la nuance et la forme adaptées à votre projet.