INFLUENCE DES IMPURETÉS

L'influence des impuretés sur les propriétés des métaux est des plus importantes. — Ne pouvant traiter complètement

cette question, nous nous contenterons d'en montrer l'intérêt pour le cuivre.

De très nombreuses recherches ont été faites en vue de préciser cette influence. Nous résumerons seulement l'étude la plus récente et la plus importante due à M. E.-A. Lewis, publiée dans Engineering (t. LXXVI, p. 753; 1903) et résumé dans la Revue de Métallurgie de février 1904.

M. Lewis classe les impuretés du cuivre en trois catégories d'après l'examen micrographique du métal, à savoir :

Premier groupe, — Métaux qui s'isolent en enveloppant les grains cristallins du cuivre, comme le plomb et le bismuth.

Deuxième groupe. — Métaux donnant avec une certaine quantité de cuivre des alliages qui forment des enveloppes semblables autour des grains de cuivre, comme l'arsenic, l'antimoine, rétain et le zinc. On doit ranger dans la même catégorie les métalloïdes, oxygène, phosphore et soufre. Il faut encore diviser ce groupe en deux catégories, suivant que l'alliage-enveloppe se sépare ou non en deux constituants après sa solidification.

à) L'antimoine, le zinc et l'oxygène se séparent en deux constituants, cuivre et antimoniure de cuivre, cuivre et composé Cu'Zn1, cuivre et oxydule de cuivre.

b) L'arsenic, le phosphore et Tétain subsistent autour des cristaux de cuivre en donnant un seul alliage ou solution solide d'arsenic, d'étain et de phosphore dans le cuivre, où il est impossible de découvrir deux constituants. Le soufre se sépare à l'état de sulfure cuivreux.

Troisième groupe. — Métaux qui se dissolvent dans les cristaux de cuivre et ne s'en séparent pas, mais forment une solution solide, tels que le fer, le 'manganèse, l'aluminium et le nickel.

Voici comment M. Lewis caractérise les difl'érents aspects micrographiques des cuivres purs et impurs.

1. L'existence de ce composé que parait affirmer M. Lewis est extrêmement douteuse. Voir chapitre ix.

Le cuivre pur fondu et refroidi doucement montre sous le microscope, après polissage et attaque par l'ammoniaque, des grains cristallins nettement limités séparés par des contours très fins.

Le cuivre pur allié à 0,2 0/0 de plomb ou de bismuth montre autour des cristaux de cuivre une légère enveloppe de ces deux impuretés formant un réseau continu dans toute la masse. Ces deux métaux rendent le cuivre tellement brisant que leur présence en petites quantités empêche de le laminer. Le bismuth est beaucoup plus dangereux encore que le plomb, mais il ne se rencontre pas habituellement dans les métaux industriels. La présence de 0,002 0/0 de bismuth suffit pour rendre fragile le cuivre électrolytique pur.

Le cuivre pur additionné de 0,2 0/0 d'arsenic, de phosphore ou d'élain montre, après polissage et attaque, des grains cris* tallins de cuivre entourés par une bordure qui ne peut être résolue en deux constituants, même avec les plus forts grossissements. Ces alliages se laminent facilement à chaud et sont très malléables ù froid.

Le cuivre renfermant 0,2 0/0 d'antimoine, de zinc ou d'oxygène montre un réseau dans lequel on peut reconnaître facilement deux constituants. Une proportion semblable d'antimoine ou de zinc est déjà très nuisible et donne un mauvais laminage. Une proportion de 1 0/0 d'oxydule de cuivre peut exister dans le métal sans altérer sa malléabilité, pourvu qu'il n'existe pas d'autres impuretés en même temps. Le cuivre renfermant 0,2 0/0 de fer, de manganèse, d'aluminium ou de nickel ne montre aucun réseau particulier. La microstructure est semblable à celle du cuivre pur.

L'impureté la plus importante à déterminer au point de vue des propriétés du métal ordinaire raffiné est l'oxydule de cuivre. La présence de ce corps neutralise, dans une certaine mesure, l'action des autres impuretés; mais il faut que cette proportion soit convenable, et l'on admet alors que les impuretés en question soient oxydées par l'oxygène de l'oxydule. Le métal est de moins bonne qualité si la proportion d'oxydule

est trop faible ou trop forle ; mais cette explication du rôle de l'oxygène est tout à fait insuffisante.

M. Archbuts a observé récemment que le cuivre contenant une forte proportion d'arsenic peut renfermer des proportions de bismuth qui dénatureraient complètement un cuivre exempt d'arsenic. Cette observation a été le point de départ d'expériences dont il va être rendu compte.

Des lingots de 3 kilogrammes ont été laminés au rouge, et l'on a examiné la façon dont le métal se comportait pendant le laminage et ensuite à froid dans l'essai de flexion. Pour ces expériences on employait du cuivre électrolytique pur fondu dans un creuset de plombagine sous une couche de charbon de bois grossièrement pulvérisé qui empêchait l'oxydation, l'impureté était alors ajoutée dans le cuivre fondu et l'on agitait vivement avant de couler.

L'arsenic a donc la propriété de neutraliser dans une certaine mesure l'action nuisible du bismuth, du plomb et de l'antimoine ; au contraire, l'étain, le manganèse et l'aluminium exagèrent cette influence nuisible.

Dans le second rapport du Comité des Alliages, on trouve quelques analyses intéressantes de plaques de foyers de locomotives. Elles renfermaient en moyenne :

Arsenic

Bonnes plaques

Mau traites plaques

La conclusion avait été que le cuivre de bonne qualité doit renfermer une certaine proportion d'arsenic et très peu de plomb. L'explication de ce fait, ajoute M. Lewis, doit être semblable à celle que Ion peut donner des propriétés mécaniques des laitons.

Le laiton renfermant moins de 63 0/0 de cuivre peut être travaillé à chaud parce qu'il renferme un alliage eutectique1,

CuZn + .rZn,

1. Nous verrons plus loin que ce n'est pas un eutectique, mais bien une solution solide.

qui tient en dissolution le plomb et rétain. En l'absence de cet eutectique, le laiton pourrait être travaillé à froid, comme c'est le cas pour ceux de ses alliages qui renferment une plus forte teneur en cuivre. (Voir, pour plus de détails, le chapitre vin.) De même, le bismuth et le plomb sont insolubles dans les cristaux de cuivre pur. L'arsenic forme avec le cuivre une solution solide d'arséniure de cuivre, qui se sépare autour des cristaux de cuivre sous forme d'un réseau et jouit de la propriété de conserver le bismuth et le plomb en solution solide, en annulant ainsi leur effet nuisible. Par contre, les métaux qui se dissolvent dans les cristaux de cuivre comme le manganèse et l'aluminium, exagèrent l'effet du plomb et du bismuth en laissant subsister le réseau sans consistance de plomb et de bismuth entre les cristaux de cuivre. Pour expliquer la neutralisation de l'action du soufre par le manganèse et l'aluminium, on peut supposer que la dissolution de ces deux corps dans les cristaux de cuivre leur donne la propriété qui n'appartient pas au cuivre pur de dissoudre le sulfure de ce métal.

Les expériences n'ont pas encore été étendues à la présence de l'oxygène1 ; mais il résulte d'observations antérieures que l'oxygène agit de la même façon que l'arsenic. Il donne de loxydule de cuivre qui, de même que Tarséniure, produit un eutectique capable de maintenir les impuretés en solution, et la proportion d'oxyde de cuivre nécessaire varie avec la proportion des impuretés. S'il y a trop peu d'oxyde de cuivre, une certaine quantité des impuretés, du plomb, par exemple, restera à l'état libre. Si, au contraire, il y a un excès de ce corps, celui-ci exercera son action nuisible ordinaire.

Aujourd'hui, dans la fabrication des tubes de cuivre, on emploie quatre qualités différentes de métal :

1° Le cuivre ordinaire raffiné ;

2° Le cuivre arsenical ;

3° Le cuivre phosphoreux;

I. Voir chap. xr, Cuivre et Oxygène : Travaux de M. Heyen et de M. Giraud, p. 751.

4° Le cuivre renfermant 2 à 30/0 de nickel ou de manganèse.

1° Le cuivre raffiné de bonne qualité renforme 99,6 0/0 de cuivre, pas plus de 0,1 0/0 de plomb ou d'arsenic, de 0,05 0/0 d'antimoine, moins de 0,005 de bismuth et environ 0,1 h 0,2 0/0 d'oxygène, plus ou moins suivant la proportion de plomb et des autres impuretés ;

2° Le cuivre arsenical est un des meilleurs pour la fabrication des tubes à feu et des plaques de foyers; il présente les deux avantages suivants :

La résistance est plus grande, à la température ordinaire et à 250°, que celle du cuivre raffiné; l'arséniure de cuivre rend moins nuisibles les petites quantités de plomb et de bismuth se trouvant dans le métal. Il est plus dur et plus tenace que le cuivre ordinaire, la proportion d'arsenic convenable dépend des autres impuretés. Pour le cuivre électrolytique, 0,25 0/0 d'arsenic suffisent; avec une teneur en plomb de 0,1 à 0,2 0/0, il faut au moins 0,6 0/0 d'arsenic. Dans tous les cas, la proportion de l'arsenic doit du moins être triple de celle du plomb et du bismuth ensemble. Du cuivre renfermant 0,750/0 d'arsenic peut contenir 0,03 0/0 de bismuth. La proportion d'oxygène dans un cuivre arsenical ne doit, dans aucun cas, dépasser 0,1 0/0.

3° Le cuivre phosphoreux ne peut être fabriqué qu'avec le cuivre de la meilleure qualité; il doit renfermer au moins 99,7 à 99,8 0/0 de cuivre; il est plus dur que le cuivre raffiné ordinaire ; il doit renfermer de 0,05 à 0,01 de phosphore et pas plus de 0,04 d'oxygène ;

4° Le cuivre renfermant 2 ou 3 0/0 de nickel ou de manganèse est plus tenace que le cuivre ordinaire, et sa ténacité est plus élevée. Ces sortes de cuivre doivent être préparées avec des cuivres électrolytiques ou avec des cuivres extrêmement purs ; ils ne doivent renfermer que des traces de plomb ou d'antimoine; quand on les fabrique avec du cuivre commercial ordinaire, ils donnent des tubes se fendant assez facilement. Avec le nickel, les tubes étirés à froid peuvent se fendre au recuit.

LBS MÉTAUX INDUSTRIELS