À propos du bronze phosphoreux – Résistance, propriétés et utilisations
Le bronze a parcouru un long chemin avant d'être un alliage de cuivre et d'étain. Il s'agit désormais d'une classe beaucoup plus large d'alliages de cuivre qui trouvent encore de nouvelles utilisations aujourd'hui. Cependant, la diversité des bronzes peut rendre difficile la sélection des matériaux. Cet article contribuera donc à atténuer une partie de la confusion en explorant un type de bronze, le bronze au phosphore. En examinant les propriétés physiques, chimiques et mécaniques du bronze phosphoreux, cet article vise à aider les concepteurs intéressés à déterminer si cet alliage de cuivre est un bon choix pour leur projet. Nous examinerons d’abord la composition du bronze phosphoreux, puis discuterons de ses avantages, inconvénients, propriétés mécaniques et enfin discuterons des applications courantes de ce métal utile.
Propriétés physiques du bronze phosphoreux
Il peut être utile de consulter notre article sur les types de bronzes afin de comprendre les points communs entre les alliages de cuivre et leurs applications populaires.
Ci-dessous, dans la figure 1, vous trouverez un tableau qualitatif décrivant la composition du bronze phosphoreux :
Représentation sous forme de diagramme circulaire de la composition matérielle du bronze phosphoreux.
Figure 1 : Répartition qualitative du bronze phosphoreux.
Notez que les pourcentages de zinc, de fer, de plomb et de phosphore inclus sont infinitésimaux.
En regardant la figure 1, il peut être difficile de comprendre pourquoi le bronze phosphoreux est ainsi nommé alors qu'il est principalement composé de cuivre et d'étain comme alliage. En effet, seule une petite quantité de phosphore, environ 0.03-0,035 % en poids, est nécessaire pour conférer à ces alliages leurs propriétés uniques, telles qu'une meilleure fluidité, une meilleure résistance à l'usure et une plus grande rigidité. Ils sont également connus sous le nom de bronzes à l’étain, mais une certaine quantité de phosphore est toujours présente pour être véritablement considérés comme des bronzes au phosphore. Avec une densité d'environ 8,8 g/cm3, la plupart des formes de ces alliages répondent à l'écrouissage à chaud, à l'écrouissage et au traitement thermique. Ils sont extrêmement résilients, résistants à la fatigue et à la corrosion et peuvent être facilement formés, coulés et soudés. L'ajout de plomb rend les bronzes au phosphore plus solides et plus faciles à usiner, mais les bronzes au phosphore sans plomb sont également solides et résistants en eux-mêmes. Ils sont le plus souvent utilisés dans des applications résistantes à la corrosion, ainsi que dans d’autres applications nécessitant un matériau résilient mais durable.
Résistances et faiblesses
La plupart des alliages de bronze phosphoreux résistent à la décoloration et à la corrosion, ce qui les rend utiles dans les conduits électriques et autres environnements corrosifs. Ils sont également résistants à la fatigue, ce qui signifie qu’ils conservent leur résistance sur de nombreux cycles de charge. L'ajout d'étain augmentera cette résistance ainsi que sa solidité, tandis que l'ajout de plomb donnera du bronze phosphoreux, familièrement appelé « l'ami du machiniste » (alliage COLPHOS 90 / C54400) car pratiquement impossible à distinguer des alliages de laiton de décolletage. La plupart des alliages développent une patine attrayante en présence d'oxygène, ils peuvent donc également être utilisés dans des applications décoratives. Les principaux inconvénients du bronze phosphoreux sont probablement sa plus faible conductivité électrique, car le phosphore réduit la capacité du métal à conduire le courant électrique, ainsi que son prix. La poussière et les vapeurs de bronze phosphoreux sont également toxiques lorsqu'elles sont inhalées, alors faites attention à votre portefeuille et à vos poumons.
Propriétés mécaniques
Le tableau 1 ci-dessous présente certaines des propriétés mécaniques pertinentes pour les utilisations et la résistance du bronze phosphoreux. Cette section expliquera brièvement chaque propriété et montrera comment elles rendent cet alliage de cuivre unique.
Limite d'élasticité à la traction
380-450 MPa
55100-65260 psi
Module d'élasticité
110 GPa
16 000 ksi
Conductivité électrique (par rapport au cuivre pur)
15%
Dureté (Rockwell B)
75-85
Usinabilité
20-100%
Tableau 1 : Résumé des propriétés mécaniques du bronze phosphoreux – Veuillez noter que ce tableau est un résumé général et non une liste des propriétés réelles de tous les bronzes phosphoreux.
La limite d'élasticité en traction est une valeur de contrainte qui détermine le point auquel un matériau se déforme plastiquement. Il s'agit d'une mesure courante de la limite d'élasticité d'un matériau, car les contraintes inférieures à ce point ne plieront ni n'étireront l'alliage (bien qu'il y ait toujours des exceptions). Il s'agit d'une mesure utile pour les fabricants lors de l'usinage et dans les applications où le matériau doit conserver sa forme sans compromettre l'intégrité structurelle. Le bronze au phosphore possède une limite d'élasticité impressionnante qui rivalise avec certains alliages d'aluminium et dépasse même d'autres bronzes, grâce à sa forte proportion d'étain et de phosphore. Combiné à ses bonnes propriétés de ressort, cela crée un alliage solide et résistant.
Le module d'élasticité, ou module d'Young, décrit la capacité d'un matériau à se déformer élastiquement, c'est-à-dire la rigidité du matériau. Contre-intuitivement, un module d'Young plus élevé indique un matériau plus élastique, mais ce n'est pas une mesure de « l'élasticité » ; c'est une mesure de la résistance du matériau interne et de sa probabilité de revenir à sa forme originale sous une force accrue. Par conséquent, un module d'Young élevé signifie que le matériau est généralement résistant car il ne se déforme pas plastiquement dans des conditions de charge accrues. Le bronze au phosphore a un module d'élasticité assez élevé (près de la moitié de celui de la plupart des aciers), ce qui indique qu'il n'est pas aussi résistant que les autres alliages, mais qu'il peut résister dans des conditions modérées. Cela fait que le bronze phosphoreux est à la fois utile pour les opérations de formage et plus difficile à usiner, mais nous y reviendrons plus tard.
Le bronze phosphoreux a une conductivité électrique d'environ 15 % de celle du cuivre pur. Alors pourquoi l'utiliser dans des applications électriques alors que le cuivre peut bien mieux transporter l'électricité ? La réponse réside dans le bon équilibre du bronze phosphoreux entre résistance à la fatigue, résistance à la corrosion et conductivité électrique. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un alliage remarquable dans aucune des catégories ci-dessus, sa capacité à être durable, solide et conductrice signifie que les composants électriques en bronze phosphoreux dureront plus longtemps que leurs analogues en cuivre. En conséquence, le bronze phosphoreux est utilisé depuis longtemps comme matériau pour les interrupteurs électriques, les fixations, les connecteurs, etc., car il peut mieux résister aux charges mécaniques et électriques que son homologue en cuivre typique.
La dureté du matériau est toujours relative à un duromètre standard, et les différentes échelles de dureté fournissent une liste comparative des matériaux au sein d'une même catégorie/matériau général. Le tableau 1 montre les valeurs de dureté sur l'échelle Rockwell B, couramment utilisée pour décrire la dureté des alliages de cuivre et d'autres métaux. Les matériaux avec des valeurs de dureté inférieures sont généralement plus mous, ce qui signifie qu'ils sont plus facilement rayés, bosselés et déformés localement en surface, tandis que des nombres plus élevés indiquent des matériaux difficiles à rayer (pensez au verre borosilicaté, à la céramique, etc.). À titre de référence, le cuivre a une dureté Rockwell B d'environ 50, il ressort donc clairement du tableau 1 que le bronze phosphoreux est plus résistant aux rayures que sa forme pure. Il n'est pas non plus aussi résistant que d'autres alliages plus durcissables comme l'acier, qui peuvent être meilleurs ou pires selon l'application. Par exemple, si la gravure et l'incrustation font partie de l'application, le bronze phosphoreux peut constituer un bon équilibre entre résistance et usinabilité, mais cela dépend du type d'alliage spécifique et de la procédure de renforcement.
Comme la dureté, l'usinabilité est une mesure comparative de la capacité d'un matériau à être usiné et est toujours référencée à un matériau d'usinage standard (pour les bronzes, ce matériau est UNS C36000 – Free Cutting Brass). Ce matériau standard présente un score d'usinabilité de 100 %, ce qui signifie qu'il est facile à usiner et pose peu de problèmes en atelier. Les alliages avec des scores inférieurs à 100% sont plus difficiles à usiner par rapport à cette référence, et c'est souvent le cas du bronze phosphoreux ; cependant, le bronze phosphoreux peut être spécialement fabriqué pour résoudre ces problèmes (ainsi que la plupart des autres alliages, selon votre source). Le bronze phosphoreux peut être acheté avec une teneur en plomb plus élevée, ce qui éliminera sa difficulté d'usinage car il devient plus autolubrifiant. Ainsi, même si la plupart des alliages de bronze phosphoreux sont quelque peu difficiles à usiner, ce problème peut être résolu en choisissant le bon alliage.
Applications du bronze phosphoreux
Le bronze phosphoreux est utilisé dans les composants électriques depuis de nombreuses années, mais il trouve encore de nouvelles utilisations en raison des progrès technologiques et du besoin de matériaux plus spécialisés. Vous trouverez ci-dessous une liste d'applications du bronze phosphoreux, mais sachez qu'il a de nombreuses utilisations en dehors de cette liste et que de nouvelles applications sont toujours en cours de développement.
Certaines applications courantes incluent :
Ressorts
Douilles, bagues et roulements
Tiges de soudures
Bijoux
Cordes de guitare
Ponts dentaires
