DU CUIVRE RAFFINE D ORER
Forme et proportions des éléments
Métal 99,177
Oxyde cuivreux .... 0,1476
Métal.
Métal.
Métal 0,046
Acide, As05 0,044
( combinée Bi03, PbO, Fe»03, Cu«0, etc.
Métal 0,331
Acide 0,0619
SbO^, combiné aux mêmes oxydes que
l'arsenic.
Oxyde combiné à AsO^ et à SbO^.
( Métal 0,011
I Oxyde 0,0007
Métal 0,0631
Oxyde 0,0009
Acide sulfureux.
Cette analyse montre quelle diversité d'éléments entrent dans la composition des cuivres du commerce. L'or, l'argent, et partiellement le nickel, le cobalt, l'anti-
moine et Tarsenic se trouvent à l'état métallique dans les cuivres, tandis que le plomb, le bismuth et le fer se trouvent à l'état d'oxydes. Le soufre est généralement à l'état d'acide sulfureux dissous dans le métal; l'oxygène se trouve soit en combinaison avec divers métaux dans les oxydes, soit à l'état libre, comme l'acide sulfureux.
Structure moléculaire des cuivres. — Tous ces corps étrangers sont d'ailleurs loin d'être répartis d'une manière uniforme dans la masse du métal. Dans des expériences que nous avons faites au laboratoire de l'Ecole des Mines, nous avons mis leur place en évidence en attaquant la surface d'une barre de cuivre polie par une solution neutre d'azotate d'argent ; les points où le cuivre est à l'état de métal sont rapidement attaqués, tandis que les points où il se trouve à l'état de combinaison sont laissés intacts.
En faisant cette expérience sur la section d'un lingot de cuivre tenant 4 pour 100 de phosphore et préparé en le laissant refroidir lentement, on aperçoit à l'aide d'une forte loupe la surface du métal divisée en une infinité de petites cellules en forme de parallélogrammes ; le cuivre métal qui occupait le centre de ces cellules a disparu ; les parois seules restent et sont formées par des combinaisons cuivreuses non attaquables par l'azotate
STRUCTURE MOLECULAIRE DBS CUIVUES ^89
d'argent. On obtient les mêmes résultats en faisantxette expérience avec les bronzes phosphoreux et siliceux, employés pour l'électricité. L'azotate d'argent révèle donc une cristallisation du cuivre, qui est d'autant plus nette, que le métal est moins pur. Le meilleur cuivre électrolytique est attaqué d'une manière uniforme, et sa surface présente à peine quelques trous irrégulièrement disséminés. Ces expériences montrent bien le rôle joué par les corps étrangers incorporés dans le cuivre. Les parois cellulaires formées par des combinaisons cuivreuses, dures et peu flexibles, augmentent la résistance du métal, et diminuent sa flexibilité et sa malléabilité.
Tous les traitements mécaniques que l'on fait subir au cuivre, tels que le laminage, le martelage, l'écrouissage, détruisent cet état cristallin en brisant les cellules et par conséquent modifient ses propriétés physiques. Quant à la conductibilité électrique, on peut admettre qu'elle varie en raison inverse du nombre de cellules et de l'épaisseur des parois, qui constituent une sorte d'isolant entre deux noyaux voisins. Les cuivres électrolytiques chimiquement purs et non cristallisés ont la conductibilité électrique la plus élevée.
Beaucoup de savants électriciens pensent que la différence de conductibilité existant entre les cuivres purs et les cuivres impurs est due, non à l'isolement produit par les cellules, mais à des courants intérieurs, analogues aux courants de Foucault, et dus au contact des
90 STRUCTURE MOLECULAIRE DES CDIVRES
différents métaux, composant l'alliage et disséminés dans sa masse.
L'arsenic et l'antimoine qui, sous forme d'arséniates et d'antimoniates, entrent pour la majeure partie dans la composition des parois des cellules, sont particulièrement nuisibles pour les qualités recherchées dans le cuivre ; ils doivent être éliminés avec soin. Deux millièmes d'antimoine suffisent pour empêcher l'étirage en fils très fins et augmenter beaucoup la résistance électrique.
Cette influence singulière des éléments étrangers sur le cuivre est encore peu étudiée ; les mêmes phénomènes se reproduisent à peu près avec tous les métaux. La réunion de deux corps modifie profondément leurs conductibilités individuelles ; la conductibilité d'un alliage est généralement inférieure à celle du corps le plus mauvais conducteur. L'alliage d'or et d'argent présente ce phénomène avec une intensité remarquable.
Lorsqu'on allie de faibles proportions d'or à de l'argent fin, la conductibilité électrique de l'alliage diminue immédiatement ; 2 pour 100 d'or suffisent pour la réduire de 100 à 61 ; elle décroît ensuite pour arriver à un minimum de 16,12 pour 200, correspondant à un alliage en parties égales des deux métaux, et remonte à 78 pour l'or pur.
Expériences de M. Guillemin pour déterminer la structure moléculaire des cuivres, — M. Guillemin, le savant ingénieur auquel est due l'invention du métal Roma, vient de faire de nombreuses re-
EXPERIENCES DE M. QUILLEMIN 91
cherches pour déterminer la structure intime des divers alliages industriels fondus ; il a bien voulu nous communiquer les résultats de ses travaux que nous allons décrire sommairement :
Le but poursuivi par M. Guillemin est d'étudier dans les métaux, la nature, la forme, les dimensions, les proportions, la distribution locale et la répartition générale des éléments constituants, et de rechercher comment le métal change de structure sous l'influence de la température, du temps et de la pression, enfin de définir les propriétés mécaniques, qui correspondent à une structure déterminée.
M. Guillemin a constaté qu'en attaquant la surface polie d'un alliage par un réactif approprié, et en l'examinant au microscope, on obtient des images qui varient suivant la nature de l'alliage, mais qui sont toujours invariablement les mêmes pour un alliage déterminé. L'examen micrographique des surfaces polies et dérochées permet de classer immédiatement les alliages usuels en un petit nombre de catégories ; pour en faciliter l'étude, il suffit de fixer les images par la photographie.
La méthode opératoire adoptée par M. Guillemin est la suivante :
On commence par polir l'échantillon à soumettre à l'analyse micrographique. Ce polissage s'exécute en dégrossissant la surface à la lime, puis en se servant de papiers d'émeri de plus en plus fins et en terminant avec du rouge d'Angleterre. Le polissage terminé, on fait
apparaître la structure en attaquant la surface par une immersion dans un bain d'acide sulfurique au dixième, traversé par le courant d'une pile de Daniell. On se sert à cet eflfet de deux petits paniers en toile de platine superposés à 20 millimètres de distance l'un de l'autre ; dans le panier inférieur qui correspond au pôle positif, on dispose l'échantillon à attaquer, la surface polie en dessus, tourné du côté du deuxième panier qui est luimême relié au pôle négatif de la pile. La durée de l'attaque est d' 1 à 2 minutes pour les laitons et de 3 à 4 minutes pour les bronzes. De temps en temps, on interrompt le courant et on regarde si l'attaque est suffisante. Lorsque le dérochage est au point voulu, on lave l'échantillon à l'eau chaude, puis à l'alcool et on le fait sécher à une douce chaleur. Une fois sec, on le frotte avec précaution sur une peau de chamois, enduite de rouge d'Angleterre, pour enlever l'acide stannique, l'oxyde d'antimoine, l'oxyde de manganèse, qui masquent les dessins produits par l'acide, puis on le porte au microscope.
L'appareil dont on se sert est un microscope Nachet, avec platine munie de deux mouvements de translation perpendiculaires et d'un mouvement de rotation. Ces deux mouvements sont nécessaires pour explorer toute la surface de l'échantillon et choisir le point le plus intéressant dont l'image sera fixée par la photographie. Le microscope est surmonté d'une chambre noire pour la microphotographie.
Au moyen de cire à modeler, réchantillon est collé sur une lamelle de verre et assujetti par des valets sur la platine du microscope. On éclaire et on met au point, en examinant, au moyen d'une loupe, l'image qui se forme sur le verre dépoli de la chambre noire.
Les alliages à base de cuivre possédant une couleur qui varie du jaune au rouge, quelquefois verdâtre, il est indispensable de faire usage de plaques orthochromatiques sensibles à Tune et à l'autre de ces couleurs.
La seule difficulté consiste dans l'éclairage de la surface à examiner ; il est nécessaire de disposer d'une source lumineuse très intense et absolument constante.
M. GuiUemin se sert d'une lanterne spéciale construite sur ses indications par la maison Nachet ; elle se compose essentiellement d'une petite lampe à incandescence de 4 bougies (12 volts et 1 ampère) disposée au foyer d'une première lentille intérieure, qui fait l'office de condensateur.
Les rayons parallèles sortant de cette première lentille tombent sur une seconde lentille antérieure biconvexe qui fournit à son foyer une ligne d'une grande intensité lumineuse.
Cet appareil est monté sur un pied à crémaillère qui permet de le déplacer à volonté suivant un axe vertical ; de plus, il est articulé dans tous les sens et on peut ainsi donner au faisceau lumineux l'inclinaison convenable. Pour faire de l'éclairage oblique, on incline l'appareil à 45 degrés environ surrhorizon et on le rapproche du
microscope, de façon que l'objet à examiner soit au foyer de la lentille convergente extérieure.
Pour faire de l'éclairage vertical, on se sert d'un prisme à réflexion totale enchâssé dans l'objectif et
mm^
Fia. 28. — Cuivre parfaitement aiïïné.
disposé le plus près possible de Tobjet à éclairer, soit au-dessous, soit au-dessus de la première lentille dans l'objectif.
Dans ces conditions les temps de pose varient, suivant les grossissements, de 5 secondes pour un grossissement de 35 diamètres à 5 minutes pour un grossissement de.
EXPÉRIENCES DE M. QUILLBMIN
350 diamètres, et 10 minutes pour un grossissement de 80 diamètres.
Les photographies, ou photogrammes, obtenues par les procédés de M. Guillemin, permettent de détermi-
Fjo. 29. •^ Cuivre imparfaitement afj&né.
ner sommairement et rapidement la nature d'un bronze ou d'un alliage industriel, parla simple inspection d'une surface polie et dérochée, de reconnaître s'il a été coulé à une température convenable, et, par comparaison, s'il possède les qualités d'homogénéité, d'étanchéité, de résistance et d'allongement voulues.
STRUCTURE MOLECULAIRE DBS^PUlVRES
Parmi les lingots de cuivxe:rô.uëè provenant d'une même fusion de minerai, on reconnaît ceux dont l'affinage est parfait, et on peut classer les autres suivant le degré plus ou moins ava^ncé d'âffiûage qu'ils ont subi;
Fio. 30. — Cuivre phosphoreux (8 pour 100 Ph).
on peut même, avec un peu d'habitude, déterminer la nature des impuretés qu'ils contiennent.
Comme exemples, les figures 28 et 20 (p. 94-95) représentent l'une, l'image d'un lingot de cuivre rouge parfaitement affiné, l'autre, l'image d'un lingot imparfaitement affiné. On reconnaît dans la première une
EXPÉRIENCES DE M. GUILLBMIN
agglomération régulière de grains de cuivre soudés les uns aux autres; dans la seconde au contraire, un métal rempli de piqûres dues à la présence d'éléments étrangers. La figure Slreprésente un bronze ordinaire pré -
Fio. 31. — Bronze ordinaire. Titre 89Gu + 9Zn +2Sn + Pb.
Résistance à la rupture 28 kilogrammes par millimètre carré»
Allongement 24 pour 100.
paré avec des métaux neufs très purs ; son photogramme est analogue à celui du cuivre pur.
Lorsqu'on ajoute au cuivre ou aux bronzes de faibles quantités d'un réducteur, tel que le phosphore, l'alu-
VTbiss, Le Cuivre. 6
minium ou le silicium, l'examen micrographique permet de déterminer à coup sûr le réducteur employé.
Le phosphore produit un quadrillage absolument caractéristique et souvent même une sorte de feuille de
FiG. 32. — Bronze phosphoreux pour coussinets. Titre 83,5 Gu+ 16 Sn + 0,51 Ph.
Résistance à la rupture 24 kilogrammes par millimètre carré. Allongement 8 pour lOO.
fougère ou de branche de sapin qu'on ne peut confondre avec une autre figure. Les figures 30 et 32 représentent les photogrammes d'un cuivre phosphoreux à 8 pour 100 de phosphore, et d'un bronze pour cous-
EXPÉRIENCES DE M. GUILLBMIN
sinets de voitures et de wagons ayant pour titre 83,4Cu-f-16Zn-f-0,51Ph.
Les images s'observent plus nettement à la périphérie qu'au centre des pièces coulées. La solidification com-
Fia. 33. — Laiton d'aluminium. Titre 66Gu + 32Zn + 2A1.
Bésistance à la rupture 40 kilogrammes par millimètre carré.
Allongement 35 pour 100.
mence en effet parla périphérie et la zone centrale, qui, restant plus longtemps liquide, sert en quelque sorte de masselotte au centre. La présence, dans les bronzes phosphoreux, d'une proportion de zinc supérieure à 4 pour 100, rend moins nette et moins lisible la réaction
mîcrographique du phosphore, mais il suffit de refondre la prise d'essai pour vaporiser une partie du zinc et faire réapparaître le quadrillage caractéristique du phosphore.
Fio. 34. — Bronze manganèse tendre.
Résistance à la rupture 36 kilogrammes par millimètre carré.
Allongement 30 pour 100.
Lorsque les cuivres ou les bronzes renferment de l'aluminium, la surface du métal, après l'action de l'acide est couverte de sillons affectant constamment la forme de veines de marbre ou de conglomérats, même lorsque la proportion d'aluminium est tellement minime
EXPERIENCES DE M. GUILLBMIN
que sa présence serait difficilement décelée par les procédés de la chimie analytique. La figure 33 représente le photogramme d'un laiton d'aluminium ayant pour titre 66Cu + 32Zn -4- 2A1, laminé à chaud et recuit.
.Fio*35. — Bronze au manganèse mi-dur (bronze Roma) laminé à chaud.
Résistance à la^rupture 45 k grammes par millimètre carré.
Allongement 30 pour 100.
Les bronzes au manganèse donnent également des photogrammes très caractéristiques, comme le montrent les trois figures 34, 36 et 37, qui représentent les photogrammes d'un bronze au manganèse tendre fondu au réverbère et coulé en sable à basse température»
STRDC5TURE MOLÉCULAIRE DBS CUIVRES]
d'un bronze au manganèse mi-dur (métal Roma), et d'un bronze au manganèse très dur (métal Roma), coulés dans les mêmes conditions*
FiG. 36. — Bronze manganèse mi-dur (bronze Roma).
Résistance à la rupture 37 kilogrammes par millimétré carré.
Allongement 25 pour 100.
Dans les alliages blancs à base d'étain, plomb, antimoine et cuivre, appelés antifriction, on reconnaît facilement la présence des dififérents métaux et on peut en quelque sorte en déterminer approximativement la proportion.
- - " EXPèRIBNCES DE M. QUILLEMIN 103
La figure 38 représente le photogramme d'un métal antifriction, plombeux à base d'étain, ayant pour titre 2Cu-f-52Sn-f-10Sb-f-30Pb. Le plomb manifeste sa
Fia. 37. — Bronze manganèse très dur (métal Roma).
Résistance à la rupture 45 kilogrammes par millimètre carré.
Allongement 15 pour 100.
présence par l'apparition, sur la surface du métal, de petits îlots de forme carrée.
Le zinc dans les laitons produit une large cristallisation analogue à celle des granits à gros grains. La figure 39 montre le photogramme d'un échantillon de laiton
ordinaire, laminé à froid et recuit ayant pour titre 67Cu-4-33Zn.
La figure 40 représente le photogramme d'un bronze à canons légèrement phosphoreux, étiré à froid en barres rondes et recuit.
Fio. 38. — Métal antifrictiou plombeux à base d*étain.
Pour un alliage déterminé, les photogrammes indiquent encore les circonstances qui ont accompagné la coulée ainsi que la nature du travail mécanique auquel l'alliage a pu être soumis • On peut reconnaître si le bronze a été coulé trop chaud ou trop froid, s'il a été
refroidi lentement ou brusquement. Lorsque le bronze a été coulé trop chaud, il roche au moment de la solidification ; on voit sortir des têtes de jets et des parties à jour des masselottes, des filaments vermiculaires
Fio. 39. — Laiton ordinaire. Titre 67Gu + 33Zn.
Résistance à la rupture 37 kilogrammes par millimètre carré.
Allongement 62 pour 100.
liquides, qui s'amassent en forme de champignon. La composition de ces filaments est bien différente de celle de la pièce coulée. L'étain et le 'phosphore s y trouvent en proportion beaucoup plus considérable. Les
photogrammes montrent les canaux par lesquels les filaments se sont écoulés au dehors et qui constituent les piqûres.
L'image indique également si le métal a été estampé
PiG. 40. — Bronze à canons légèrement phosphoreux.
- Résistance à la rupture 40 kilogrammes par millimètre carré.
• Allongement 67 pour 100.
ou laminé à chaud, et dans quel sens le laminage a été effectué. Le laminage à froid des métaux très malléables possédant un allongement considérable, mais ne prenant pas facilement Técrouissement, produit les
mêmes caractères micrographiques que le laminage à chaud. Au contraire, s'il s'agit d'alliages qui s'écrouissent facilement, le laminage, le martelage et l'étirage à froid produisent des arrangements moléculaires nouveaux — une sorte de trempe — et les photogrammes obtenus sont absolument dififérents de ceux qui correspondent au travail à chaud. La figure 35 (page 101) montre le photogramme d'un bronzeau manganèse laminé à chaud.
Ce court résumé des travaux de M. Guillemin montre bien toute leur importance pratique ; il apprendra aux consommateurs quelle structure ils doivent exiger d'un métal pour répondre à des besoins connus, aux producteurs quels procédés ils doivent employer pour l'obtenir.
