Qu'est-ce que le bronze au phosphore ?
Bronze au phosphore a parcouru un long chemin depuis sa simple composition d'un alliage de cuivre et d'étain ; il s'agit désormais d'une catégorie plus large d'alliages de cuivre qui trouvent encore de nouvelles utilisations à ce jour. La diversification du bronze peut rendre le choix du matériau difficile, cependant, cet article aidera à atténuer une certaine confusion en explorant un type de bronze, les bronzes au phosphore. En examinant les propriétés physiques, chimiques et mécaniques du bronze au phosphore, cet article vise à aider les concepteurs intéressés à déterminer si cet alliage de cuivre sera applicable à leurs projets. Nous commencerons par examiner la composition du bronze au phosphore, puis discuterons de ses forces, faiblesses, propriétés mécaniques, et enfin des applications courantes d’un métal aussi utile.
Propriétés physiques du bronze au phosphore
Il peut être utile de consulter notre article sur les types de bronzes, afin de comprendre les similitudes entre les alliages de cuivre et leurs applications populaires.
Ci-dessous, dans la Figure 1, se trouve un graphique qualitatif représentant la composition du bronze au phosphore :
Représentation en graphique circulaire de la composition matérielle du bronze au phosphore.
Figure 1 : Répartition qualitative du bronze au phosphore.
Remarquez comment les pourcentages de zinc, fer, plomb et phosphore inclus sont infimes.
En examinant la Figure 1, il peut être difficile de comprendre pourquoi le bronze au phosphore porte ce nom alors qu'il s'agit principalement d'un alliage de cuivre et d'étain. Cela s'explique par le fait qu'il ne faut qu’un petit pourcentage de phosphore, environ 0,03-0,035% en poids, pour conférer à ces alliages des propriétés uniques telles qu’un meilleur écoulement, une résistance à l’usure et une rigidité accrues. Ils sont également connus sous le nom de bronzes à l’étain, mais doivent toujours contenir une certaine quantité de phosphore pour être considérés comme de véritables bronzes au phosphore. Leur densité est d’environ 8,8 g/cm3, et la plupart des formes de ces alliages répondent au travail à chaud, au travail à froid et au traitement thermique. Ils sont exceptionnellement élastiques, résistants à la fatigue et à la corrosion, et se laissent facilement former, couler et souder. L’ajout de plomb rend les bronzes au phosphore plus résistants et plus faciles à usiner, mais les bronzes au phosphore sans plomb sont également solides et résistants par eux-mêmes. Ils sont le plus souvent utilisés pour des applications résistantes à la corrosion, ainsi que dans d’autres applications nécessitant un matériau élastique mais durable.
Résistances et faiblesses
La plupart des alliages de bronze au phosphore sont résistants à l’oxydation et à la corrosion, ce qui les rend utiles dans les conduits électriques et autres environnements caustiques. Ils résistent également à la fatigue, ce qui signifie qu’ils conservent leur résistance sur de nombreux cycles de chargement. L’ajout de l’étain augmentera cette résistance ainsi que sa résistance mécanique, et l’ajout de plomb donnera un bronze au phosphore connu communément sous le nom de « l’ami du machiniste » (alliage COLPHOS 90/C54400), car il est presque indiscernable des alliages de laiton à coupe facile. La plupart des alliages forment une patine attrayante en présence d’oxygène et sont donc également utiles pour des applications décoratives. Les principaux inconvénients du bronze au phosphore peuvent être sa conductivité électrique inférieure, car le phosphore réduit la capacité du métal à conduire le courant, ainsi que son coût. La poussière et les fumées de bronze au phosphore sont également toxiques en cas d’inhalation, soyez donc vigilant à la fois pour votre portefeuille et pour vos poumons.
Propriétés mécaniques du bronze au phosphore
Le tableau 1, ci-dessous, présente certaines propriétés mécaniques pertinentes pour l’utilisation et la résistance du bronze au phosphore. Cette section expliquera brièvement chaque propriété et montrera comment elles rendent cet alliage de cuivre unique.
Tableau 1 : Résumé des propriétés mécaniques du bronze au phosphore – notez que ce tableau est une synthèse générale et non une liste définitive des propriétés de tous les bronzes au phosphore.
Remarque : Ce tableau est une synthèse générale et non une liste définitive des propriétés de tous les bronzes au phosphore.
Propriétés mécaniques
Métrique
Anglais
Résistance à la traction à la rupture
380-450 MPa
55100-65260 psi
Module d'élasticité
110 GPa
16000 ksi
Conductivité électrique (par rapport au cuivre pur)
15%
Dureté (Rockwell B)
75-85
Ductilité
20-100%
La limite d'élasticité en traction est une valeur de contrainte qui détermine le point après lequel le matériau se déformera plastiquement. C'est une mesure courante de la résistance non-yielding d'un matériau, car une contrainte inférieure à ce point ne pliera pas ou n'étirera pas l'alliage (bien qu'il existe toujours des exceptions). C'est une mesure utile pour les fabricants lors de l'usinage, ainsi que dans les applications où le matériau doit conserver sa forme sans compromettre l'intégrité de la structure. Le bronze au phosphore possède une résistance à la limite d'élasticité impressionnante, comparable à certains alliages d'aluminium et surpassant même d'autres bronzes, grâce à son pourcentage élevé d'étain et de phosphore. Combiné à ses bonnes caractéristiques de ressort, cela crée un alliage à la fois solide et qui restera solide.
Le module d'élasticité, ou module de Young, décrit la capacité d'un matériau à se déformer élastiquement — c'est-à-dire, à quel point un matériau est rigide. De manière contre-intuitive, un module de Young plus élevé suggère un matériau plus élastique, mais ce n'est pas une mesure de « extensibilité » ; c'est une mesure de la résistance interne du matériau et de sa propension à revenir à sa forme originale en présence d'une force croissante. Un module de Young élevé, donc, signifie un matériau généralement robuste car il ne se déformera pas plastiquement sous des conditions de charge croissantes. Le bronze au phosphore possède un module élastique relativement élevé (quasiment la moitié de celui de la plupart des aciers), ce qui suggère qu'il n'est pas aussi résistant que d'autres alliages mais peut supporter des conditions modérées. Cela rend le bronze au phosphore à la fois utile pour les opérations de façonnage et plus difficile à usiner, mais nous en reparlerons dans un instant.
La conductivité électrique du bronze au phosphore est d'environ 15% par rapport à celle du cuivre pur — alors pourquoi l'utiliser dans des applications électriques alors que le cuivre est meilleur pour conduire l'électricité ? La réponse réside dans le bon équilibre du bronze au phosphore entre résistance à la fatigue, résistance à la corrosion et conductivité électrique. Bien qu'il ne soit pas un alliage exceptionnel dans l'une de ces catégories, sa capacité à être à la fois résistant, solide et conducteur signifie que les composants électriques fabriqués à partir de bronze au phosphore dureront plus longtemps que leurs homologues en cuivre. Par conséquent, le bronze au phosphore est utilisé depuis longtemps comme matériau dans les interrupteurs électriques, les fixations, les connecteurs, et plus encore, car il peut supporter mieux les charges mécaniques et électriques que les contreparties en cuivre typiques.
La dureté du matériau est toujours relative à une machine de dureté standard, et les différentes échelles de dureté offrent une liste comparative de matériaux dans la même classe/matière générale. Le tableau 1 montre des valeurs de dureté selon l'échelle Rockwell B, qui est souvent utilisée pour décrire la dureté des alliages de cuivre et autres métaux. Les matériaux avec des valeurs de dureté plus faibles sont généralement plus mous, ce qui signifie qu'ils sont plus facilement rayés, dentés ou déformés localement en surface, tandis que des chiffres plus élevés suggèrent un matériau difficile à rayer (pensez au verre borosilicate, céramique, etc.). À titre de référence, la dureté Rockwell B du cuivre est d'environ 50, il est donc clair d'après le tableau 1 que le bronze au phosphore 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, ce qui peut être avantageux ou désavantageux selon l'application. Par exemple, si la gravure et l'incrustation font partie de votre application, le bronze au phosphore peut constituer un bon compromis entre résistance et facilité de travail, mais cela dépend du type d'alliage spécifique et des procédés de renforcement.
Comme la dureté, la machinabilité est une mesure comparative de la capacité d'un matériau à être usiné et se réfère toujours à un matériau de référence standard pour l'usinage (pour les bronzes, ce matériau est le laiton UNS C36000 — laiton à coupe facile). Ce matériau standard se voit attribuer un score de machinabilité de 100%, ce qui signifie qu'il est facile à usiner et cause peu de problèmes en atelier. Les alliages comparés à cette référence avec un score inférieur à 100% sont plus difficiles à usiner, et c'est généralement le cas pour les bronzes au phosphore ; cependant, le bronze au phosphore peut être spécialement fabriqué pour répondre à ces préoccupations (ainsi que la plupart des autres alliages, selon votre source). Le bronze au phosphore peut être acheté avec des niveaux de plomb accrus qui élimineront sa difficulté d'usinage, car il devient plus autolubrifiant. Ainsi, bien que la plupart des alliages de bronze au phosphore soient quelque peu difficiles à fraiser, ce problème peut être résolu avec le bon choix d'alliage.
Applications du bronze au phosphore
Le bronze au phosphore est utilisé depuis de nombreuses années dans les composants électriques, mais il continue de trouver de nouvelles utilisations grâce aux avancées technologiques et à la demande pour des matériaux plus spécialisés. Ci-dessous une liste d'applications du bronze au phosphore, mais sachez qu'il a de nombreux usages en dehors de cette liste, et que de nouvelles applications sont encore en développement.
Certaines applications courantes incluent :
Ressorts
Douilles et paliers à manchon
Électrodes de soudage
Bijoux
Cordes de guitare
Ponts dentaires
et plus encore.
Le bronze au phosphore répond à de nombreuses spécifications de conception et est un matériau d'ingénierie éprouvé. Si cela semble attrayant pour votre application, assurez-vous de contacter votre fournisseur, car il disposera des alliages les plus récents disponibles.
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