Les alliagesCuivre-Béryllium

Som

mai

reLes alliages .........................................................Les nuances ...............................................................................................................................Définition des semi-produits ............................................................................................Propriétés physiques ...............................................................................................................

Les produits .......................................................Feuillards ................................................................................................................................États de livraison ....................................................................................................................Mise en forme ........................................................................................................................Résistance à la relaxation sous contrainte ............................................................Fils ...............................................................................................................................................Barres et tubes ..............................................................................................................Tôles et barres laminées Rectangulaires ou Carrées .........Produits extrudés et pièces forgées .....................................................Lignes de forage ...........................................................................................................Autres produits et services .............................................................................Alliages Mère ...........................................................................................................................Lingotins de fonderie ..........................................................................................................Feuillards en Nickel au Béryllium ................................................................................Fabrications et services particuliers ...........................................................................

Mise en œuvre ...................................................Hygiène industrielle ...................................................................................................Principe des traitements thermiques ...................................................Diagramme d’équilibre ........................................................................................................Réactions au travail à froid ..............................................................................................Revenu ...........................................................................................................................................Alliages à haute résistance ................................................................................................Alliages à haute conductibilité .........................................................................................Quelques microstructures ..................................................................................................Décapage et finition ...................................................................................................Décapage .....................................................................................................................................Galvanoplastie ...........................................................................................................................Assemblage ..........................................................................................................................Soudage tendre ........................................................................................................................Brasage .........................................................................................................................................Soudage ........................................................................................................................................Usinage .....................................................................................................................................Dureté .......................................................................................................................................Résistance à la fatigue .............................................................................................Résistance à la corrosion .....................................................................................Corrosion atmosphérique ..................................................................................................Environnements marins ......................................................................................................Environnements industriels .................................................................................................Autres propriétés .........................................................................................................

Qui est Brush Wellman ? ..................................Historique de la société .........................................................................................Exploitation minière et fabrication ............................................................Usine d’Elmore .........................................................................................................................Usine de Reading ...................................................................................................................La Qualité ...............................................................................................................................

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Les alliages

L’objet de cette brochure est de présenterles alliages de cuivre au béryllium

que l’on trouve sous forme de produits ouvrés.On entend par produits ouvrés ceux

dont la forme finale est obtenuepar déformation à chaud

ou à froid et non pas par fonderie.

Il existe deux grandes famillesd’alliage cuivre-béryllium :n Les alliages à haute résistance(25, 190, 290, M25 et 165).n Les alliages à haute conductibi-lité (3, 60, 174).

Les compositions chimiques sontindiquées dans le tableau ci-des-sous.

l'alliage 25 est le plus couram-ment utilisé et il est disponiblesous différentes formes. A l’étatrevenu, cet alliage offre la résis-tance et la dureté les plus élevéesde tous les alliages de cuivre.La charge de rupture peut dépas-ser 1400 N/mm2 tandis que ladureté peut atteindre 45 HRC. Deplus, à l’état revenu, la conductibi-lité électrique minimale est de 22% IACS (International AnnealedCopper Standard).Cet alliage présente égalementd’exceptionnelles caractéristiquesde résistance à la relaxation souscontrainte à haute température.

l'alliage 190 est fabriqué uni-quement sous forme de feuillards,

et livré à l’état revenu. Sa composi-tion chimique est la même que cellede l'alliage 25. Il est livré avec unerésistance pouvant aller jusqu’à1300 N/mm2 et une dureté de 42Rockwell C.Des économies substantiellespeuvent ainsi être réalisées par éli-mination des opérations de revenudes pièces découpées.

l'alliage 290 (BRUSH FORM) estuniquement livré à l’état de feuil-lards avec une composition simi-laire à celle de l’alliage 190. il pré-sente une formabilité améliorée.La morphologie des composants,et les impératifs de production,peuvent en effet imposer unmatériau alliant une bonne for-mabilité à des caractéristiquesmécaniques élevées.

l'alliage M25 offre les mêmescaractéristiques mécaniques quel'alliage 25 avec une usinabilitéaméliorée. Cette nuance contientune petite addition de plomb lerendant particulièrement apteaux opérations d’usinage surmachines automatiques.

Le plomb favorise en effet la forma-tion de copeaux fins et cassants quiaugmentent la durée de vie desoutils de coupe.

l'alliage 165 contient moins debéryllium que l'alliage 25 et sarésistance mécanique est un peumoins élevée. Il peut lui êtresubstitué lorsqu’on est moinsexigeant sur la résistance mécani-que et la formabilité. Cet alliageexiste dans tous les états écrouisou revenus en usine.

l'alliage 3 offre une limite élasti-que moyenne et une conductibi-lité électrique comprise entre 45et 60% de celle du cuivre pur. Il estdisponible sous toutes les formes(feuillards, barres, fils, etc.) et peutêtre livré à l’état revenu. Les étatsrevenus sont désignés par AT ouHT et ont une bonne formabilité.

Les nuances

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l'alliage 174. Cet alliage mis ensolution, écroui et revenu a descaractéristiques meilleures quecelles des laitons et des bronzes.Il permet aux utilisateurs d’amé-liorer les performances de leursproduits, particulièrement dansle domaine de la conductibilitéélectrique et de la relaxationsous contrainte. Sa limite d’élas-ticité peut atteindre 850 N/mm2,ce qui est supérieur à celle desbronzes d’aluminium et des allia-ges cuivre-nickel-étain. L'alliage174 a une conductibilité électri-

que 5 fois plus élevée que cellede ces alliages tandis que sarésistance à la relaxation souscontrainte est supérieure. Il estdisponible sous forme de feuil-lards revenus en usine à l’étatHT et 1/2HT.Pour une charge de rupture légè-rement inférieure, l'alliage 1741/2 HT possède une meilleureformabilité.l'alliage 60. Cet alliage est uneévolution des nuances plus tradi-tionnelles. Elle répond aux exi-gences croissantes, en matière de

connecteur, tant pour ce quiconcerne les propriétés mécani-ques, qu’électriques, de tenuedans le temps, de résistance àl’échauffement et de maintien del’intégrité du signal.

Autres appellationsLes alliages cuivre-béryllium sontappelés parfois”bronze au béryl-lium”ou “bronze au glucinium”.Par ailleurs l’ancienne désignationAFNOR UBe2 est quelque foisutilisée.

Les alliages cuivre-béryllium sont disponibles sousdes formes multiples. Les plus communes sonténumérées ci-dessous :Les feuillards sont des produits laminés, d’épais-seur inférieure à 4,76 mm, livrés en rouleaux.Les fils sont livrés en couronnes ou sur desbobines. Ils peuvent aussi être dressés et coupésà longueur.Les fils aplatis ont une épaisseur inférieure à 4,76mm pour une largeur maximale de 31,75 mm. Danstous les cas, les surfaces sont laminées ou étiréessans refendage, cisaillage ni sciage. Les fils aplatis sontlivrables en longueurs droites ou en bobines.Les barres rondes, hexagonales ou octogonalessont livrées soit en longueurs courantes de fabri-cation soit en longueurs fixes.Les carrés et méplats de sections supérieures à4,76 mm jusqu’à 300 mm de large sont des produitsfilés. Ils peuvent également être livrés sous forme deproduits laminés s’ils sont obtenus à partir de tôles.les rives peuvent être à angles vifs ou arrondies.Les tôles sont des produits plats laminés d’uneépaisseur supérieure à 4,76 mm et de plus de300 mm de largeur.Les tubes sont des produits creux sans soudurede forme ronde ou autre. Ils sont extrudés ou éti-rés et livrés en longueurs courantes de fabrica-tion ou en longueurs fixes.Les extrusions sont des sections solides autresque les ronds, hexagones, octogones ou méplats.Les formes sont élaborées sur mesure et livréesen longueurs droites.

Définition des semi-produits

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Les produits forgés fabriquésà partir de lingots sont livrésdans une gamme allant d’uneforme géométrique simple à desconfigurations proches des for-

mes terminées en fonction desspécifications des utilisateurs. Ilest possible de livrer des piècesfinies ou ébauchées suivant lesplans des utilisateurs. Ces fabrica-

tions utilisent des produits debase, barres, extrusions, tôles, etc.transformés par des procédés telsque le laminage circulaire, le for-geage, le soudage et l’usinage.

Les propriétés physiques et lescaractéristiques mécaniques desalliages cuivre-béryllium diffèrentconsidérablement de celles desautres alliages de cuivre à cause dela nature et de l’influence des élé-ments d’alliage en particulier dubéryllium. Faire varier la teneur enbéryllium dans des limites compri-ses entre 0,15 % et 2 % permetd’obtenir une variété d’alliages auxcaractéristiques physiques différentes.Les valeurs types de certaines deces propriétés sont indiquées dansle tableau ci-dessous.Qu’il s’agisse des alliages à hauterésistance ou des alliages à hauteconductibilité, certaines propriétésphysiques restent similaires. Lemodule d’élasticité par exemple estde 131 000 N/mm2 pour les alliagesà haute résistance et de 138 000N/mm2 pour les alliages à haute

conductibilité tandis que le coeffi-cient de Poisson est le même pourtous (0,3).Une des caractéristiques qui diffèresensiblement d’une famille à l’autreest la conductibilité thermique quiva de 1,05 W/cm x °C pour lesalliages à haute résistance à 2,39W/cm x °C pour les alliages àhaute conductibilité. Les conducti-bilités thermiques et électriquesdes alliages cuivre-béryllium favori-sent l’emploi de ces alliages pourdes applications nécessitant dissi-pation de la chaleur et capacité deconduire le courant.Le coefficient de dilatation thermi-que du cuprobéryllium est indé-pendant de la composition desdivers alliages dans la gamme detempératures où on les utilise.Ce coefficient est très proche decelui des aciers y compris des

aciers inoxydables, ce qui assure lacompatibilité des deux matériauxdans un même assemblage. La cha-leur spécifique des cuivre-béryl-lium augmente avec la tempéra-ture. Pour les alliages 25, M25 et165 elle est de 0,086 cal/gr x °C.Pour les alliages 3 et174,elle est de0,080 et 0,091 cal/gr x °C auxmêmes températures. La perméa-bilité magnétique est très prochede 1 ce qui veut dire que ces allia-ges sont presque transparents àdes champs magnétiques à varia-tion lente.Le module d’élasticité ducupro-béryllium est 15 ou 20 %supérieur à celui des autresalliages cuivreux.

Propriétés physiques

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Les produits

Nous présenterons dans ce chapitreles propriétés électriques et mécaniques

des alliages cuivre-béryllium. Il s’agit de valeurstypiques qui pourront aider à choisir l’état

et les dimensions d’un produitmais elles ne constituent pas une limite

car on demande fréquemment des plagesde caractéristiques plus étroites

ou des propriétés spéciales.

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Les feuillards en alliage cuivre-béryllium sont utilisés pour une large gamme d’applications. C’est ainsi qu’unressort en cuivre au béryllium est souvent l’élément actif d’un dispositif conducteur de courant.Dans un connecteur, un contact en cuivre au béryllium règle la force d’insertion, fournit une force suffisantepour minimiser la résistance de contact et maintient la force d’extraction indispensable pour assurer l’in-tégrité du circuit conducteur.Tout ceci nécessite souvent un contact découpé combinant rigidité et flexibilité pour la même pièce.On retrouve d’autres avantages intéressants :n dans de nombreux états de livraison, la résistance et l’aptitude à la mise en forme ne varient pas suivant ladirection du laminage (isotropie). Les soufflets réalisés par emboutissage profond ou les diaphragmes rondspour commandes pneumatiques dépendent, lors de leur fabrication et pendant leur durée de vie, des proprié-tés de l’isotropie des alliages.n les boucliers électromagnétiques nécessitent de bonnes caractéristiques de mise en forme alliées à unebonne endurance.

n une dureté élevée est un atout dans les connec-teurs auto-dénudants lorsqu’on doit traverserl’enveloppe isolante d’un fil pour maintenir uncontact fiable.L’épaisseur est un élément critique dans la con-ception du ressort car elle influence fortementles caractéristiques de déflexion. C’est pour celaque la régularité de l’épaisseur est garantie dansla limite des tolérances indiquées dans le tableauci-dessous.

La flèche sur rives et la tuile sont égalementsoigneusement contrôlées. Il est en effet indis-pensable d’avoir un excellent profil de bandepour le travail sur presse et en particulier avec lesoutils de découpe à suivre.

Les feuillards

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Les propriétés des alliages de cuivreau béryllium dépendent pour partiede la composition chimique maisl’écrouissage et le revenu jouentégalement un rôle important.Lorsqu’un alliage et un état sontspécifiés sur un dessin ou une com-mande, par exemple “Alliage 3 AT”,l’utilisateur est assuré d’avoir unegamme définie de caractéristiques.La définition des états est préciséedans les normes (ASTM B601) maisdes termes tels que “1/4 dur” ou“1/2 dur” sont couramment utiliséspar les fabricants et les utilisateurs.Les correspondances entre ces dif-férentes appellations sont indiquéesdans le tableau ci-dessous.Dans leur état mis en solution,les alliages cuivre-béryllium sont

désignés par la lettre “A” pour“Annealed”, qui correspond enfrançais à l’état trempé ou mis ensolution. Il s’agit de l’état le plusdoux dans lequel l’alliage puisse setrouver.L’état “A” comporte une subdivi-sion, en anglais “A Planished”, cor-respondant à ce que de nombreuxutilisateurs appellent en français 1/8H ou encore “trempé glacé”.La lettre “H” pour “Hard” designeun alliage ayant été durci par travailà froid tel que laminage ou étirage.La lettre “T” pour “Tempered”suivant les lettres “A” ou “H” signi-fie que l’alliage a subi un traitementstandard de revenu destiné à luiconférer ses caractéristiques maxi-males, par exemple 25 HT.

Enfin la présence de la lettre “M”pour “Mill Hardened” indiqueque le métal a été soumis enusine à un traitement particulierdestiné à lui donner des carac-téristiques s’inscrivant dans unefourchette spécifique et garantie.L’alliage 3 est disponible à l’étattrempé et revenu (AT) ou écrouiet revenu (HT) ainsi, bien enten-du, qu’à l’état trempé (A) etécroui (H). En revanche, il n’ex-iste pas dans les états revenus enusine (M) sauf dans deux cas :l’un où l’on souhaite obtenir unerésistance améliorée, l’alliage estalors livré à l’état “HTR”, l’autreoù l’on désire une conductibilitéélectrique maximale, l’alliage estalors livré à l’état “HTC”.

Etats de livraison

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Le tableau ci-dessous constitue unguide pour le choix d’un état, enfonction d’une exigence de mise enforme. Le rapport R/t indique lerayon de pliage (R) acceptable pourun pliage à 90 degrés en fonctionde l’épaisseur du feuillard (t). Un

rapport R/t faible indique donc unetrès bonne aptitude à la mise enforme. Celle-ci est excellente pourles états trempés, tant dans le senslong que dans le sens travers.Certains états revenus en usineprésentent également de faibles

différences entre les deux sens.Grâce à cette isotropie, il n’est pasnécessaire, lors de la découpe, detenir compte du sens du lami-nage. dans de nombreux cas, celapermettra d’utiliser le métal dansles meilleures conditions.

Mise en forme

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Les outillages utilisés pour la découpe et l’emboutissage desaliages de cuivre au béryllium sont les mêmes que ceux quel’on utilise pour n’importe quel autre alliage de cuivre dedureté semblable. Ces outils devront être affûtés avec un jeud’environ 5 % de l’épaisseur du feuillard (ou 2,5 % de chaquecôté).Cette pratique diminuera les bavures qui se forment à ladécoupe.Ces bavures devront être éliminées avant le revenu,car elles sont à l’origine d’amorces de rupture des piècesfortement sollicitées. Les angles de dépouille devront êtresupérieurs d’environ un demi degré de chaque côté, à ceuxque l’on utilise pour les bronzes phosphoreux ou les laitons,afin d’empêcher le cuivre au béryllium de remonter sur lepoinçon, ce qui pourrait modifier les jeux de poinçon.Il faut noter que la lubrification prolonge la vie des outils maisque les lubrifiants contenant du soufre tachent les cupro-béryllium.Quant à l’effet ressort, il est d’autant plus prononcé quela résistance est plus élevée. Cet effet peut-être contrôlépar une augmentation des angles de pliage pour obtenirl’angle désiré. Pour un rayon de pliage donné, l’effetressort décroît lorsque l’épaisseur du feuillard augmente.

Résistance à la relaxationsous contrainteLes alliages cuivre-béryllium sont souvent choisis pourleur bonne résistance à la relaxation sous contrainte. Laminiaturisation des composants dans l’informatique, l’au-tomobile et l’aérospatial a mis l’accent sur l’importanced’une grande stabilité thermique. De nos jours, de nom-breux contacts électroniques et d’autres élémentsressorts doivent rester stables plus longtemps, alors qu’ilstravaillent à plus haute température.Cette propriété est généralement mesurée sur un échan-tillon de feuillard sous contrainte de flexion constante àtempérature modérément élevée.Une des méthodes les plus utilisées consiste à fixer l’échan-tillon dans un montage en le soumettant à une contrainteinitiale de 75 % de la limite d’élasticité à 0,2 %. L’ensembleest soumis à une température déterminée durant unelongue période de temps, 1 000 heures ou plus.La relaxation sous contrainte provoque une déformationpermanente. le rapport entre la valeur de cette défor-mation permanente et la déflexion initiale indique l’im-portance de la perte d’élasticité initiale causée par larelaxation.La résistance à la relaxation sous contrainte des différentsalliages est indiquée sur les courbes ci-contre. Le pour-centage d’élasticité résiduelle après exposition, est fonc-tion du temps et de la température.Par la méthode de Larson-Miller, on peut extrapoler surune large gamme les valeurs de ces paramètres.

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Les fils constituent l’une desfamilles de produits les plusintéressantes, avec une gammed’applications extrêmement var-iée. Citons par exemple :n les ressorts hélicoïdauxn les douilles miniatures obte-nues par usinage (Sockets)n les boulonneries réalisées enfrappe à froidn les câbles toronnésn les écrans tressésn les fils résistant à la corrosionmarine et les fils maillésn les montures de lunettes

On peut livrer des fils sousdiverses formes autres que ron-des. Les profils spéciaux jouent

un rôle important dans diversesapplications particulières. Onutilise par exemple, du fil platpour des antennes rétractables,ou en lieu et place de feuillardrefendu, ce qui élimine lesbavures.Le fil carré est utilisé dans cer-tains contacts électroniques, enparticulier si des angles vifs sontnécessaires pour favoriser unbon contact dans le cas d’un filenroulé. Parfois aussi, onrecherche des fils carrés ou rec-tangulaires avec un anglebiseauté. Les fils sont livrablesdans des dimensions comprisesentre 1,30 et 12,7 mm, auxtolérances indiquées dans le

tableau. De plus petites dimen-sions devront faire l’objet d’unefabrication spéciale.

Les états de livraison sont l’étattrempé, 1/4 dur, 1/2 dur, ou dur.Dans certains cas, on peutenvisager de livrer du fil pré-revenu pour des applicationsoù la mise en forme n’est pasun critère trop contraignant.

Fils

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Des longueurs pouvant atteindre 9 mètres, et des sections allant jusqu’à 300 mm de diamètre sous forme debarres étirées ou extrudées ; la gamme de ces produits est très étendue.Citons parmi les principales applications des barres et des méplats, les paliers et manchons ne nécessitant pasd’entretien, des composants de pistolets de soudure, les noyaux et inserts entrant dans la fabrication desmoules pour l’injection des matières plastiques et la coulée de métal sous pression, les plaques antigrippage, laboulonnerie décolletée, etc.

Les tubes existent dans une large gamme de dimensions allant des tubes reétirés à parois ultra-minces aux grostubes extrudés à chaud, en passant par les tubes étirés à froid. On les utilise pour la réalisation de paliers etde parties pivotantes de trains d’atterrissage, de tricônes de forage, de boîtiers anti-pression pour magné-tomètres de précision, et d’autres instruments.

Les barres et tubes en cupro-béryllium sont largementutilisés dans la fabrication des électrodes de soudure parrésistance, car cet alliage répond à la nécessité de com-biner une bonne dureté et une conductibilité électriquesuffisante garantes de la durée d’utilisation des élec-trodes. les facilités de pliage et d’usinage contribuent à larentabilité de cette application.

Les tubes et les barres peuvent être livrés à l’état revenu.On les trouve aussi à l’état trempé et trempé revenu, et àl’état écroui ou écroui revenu.

Barres et tubes

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Les tôles sont des produits plats laminés d’une épaisseur supérieure à 4,76 mm. Les barres sont des produitslaminés de section rectangulaires ou carrées, meulées ou sciées dans la tôle.

Ces produits sont disponibles à l’état trempé ou écroui par laminage à froid, et à l’état revenu sur métal trem-pé (état AT) ou écroui (HT). Le choix de l’état dépend de l’application et du processus de fabrication.

Avec l’alliage 25 par exemple, on utilisera l’état trempé lorsqu’on aura à percer des trous de petits diamètres,le revenu étant effectué après le perçage. Les alliages à l’état revenu seront eux utilisés lorsqu’on pourra, grâceà des outils plus rigides, effectuer des passes plus profondes. Si l’on sélectionne un état trempé (A) ou écroui(H), on procèdera d’abord à un usinage ébauche pour compenser le léger changement de dimension qui inter-vient au revenu ; la finition étant effectuée après le revenu.

Ces produits sont intéressants pour leur stabilité dimensionnelle tant lors des opérations d’usinage que pen-dant leur utilisation.

Parmi les applications caractéristiques on peutciter :n pour les tôles :l les boîtiers de refroidissement pour ordinateurs,l les moules pour injection de matières plastiques,l les composants d’appareillage de soudure parrésistance.

n pour les barres :l les plaques d’usure et les bandes de frottement,l les outillages anti-déflagrants,l les inserts de moules à injection et des élémentsde moulage en coquille.

Tôles et barres laminées, rectangulairesou carrées

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Produits extrudés et pièces forgées

La facilité avec laquelle on peut travailler les alliages de cuivreau béryllium permet la réalisation de pièces de grandes dimen-sions, proches des cotes finies, par forgeage ou extrusion.

Le forgeage élargit la gamme des dimensions disponibles, lesprocédés utilisés étant notamment le laminage et le forgeagecirculaire, le matriçage à froid, le refoulage, et diverses tech-niques de forgeage libre et d’estampage.Les applications les plus courantes sont :n les électrodes circulaires pour soudure à la molette,n les anneaux de générateurs,n les composants pour l’aérospatial et l’océanographie,n les éléments de transmission, etc.

Les extrusions sont utilisées lorsque l’on a besoin de grandeslongueurs avec des dimensions proches des cotes finies, oudans le cas de longueurs plus courtes produites à grande série,ou encore, lorsqu’on veut réaliser économiquement despièces ayant un grand diamètre intérieur.Une des applications les plus connues, est la fabricationde cylindres pour la réalisation d’enveloppes de répe-teurs de câbles sous-marins, mais il faut mentionneraussi les éléments de moules résistant à la fatigue et à latempérature utilisés dans des installations de couléecontinue, les rails-guide résistant à l’usure employésdans l’industrie informatique.

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Une nuance particulière decuivre au béryllium a étédéveloppée pour répondreaux besoins spécifiques de l’in-dustrie pétrolière.Les composants utilisés danscet environnement exigeantsont, par exemple, des élé-ments de l’extrémité de laligne de forage renfermant lesinstruments de mesure despropriétés magnétiques.Ces éléments tubulairesdoivent être transparents auxchamps magnétiques, avoir unebonne tenue à la corrosion, etoffrir une résistance suffisanteaux contraintes de torsionsubies par les raccords filetéstout en étant suffisammentsolides pour supporter lescontraintes de rotation et

flexion consécutives à l’utilisa-tion en zones de profondeur.

L’alliage 25 pour ligne de forage(Drill string temper) répond àces exigences avec de plus, uneremarquable aptitude à diminuerl’effet de grippage au niveau desraccords filetés. Cet alliagerésiste à la corrosion, à la fragili-sation par l’hydrogène et résisteau dioxyde de carbone (gaz car-bonique). On l’utilise pour lesforages et le carottage en milieuacide, lorsqu’il y a une expositionintermittente.

Il a une faible perméabilité mag-nétique (entre 0,997 et 1,003)qui ne change pas, même en casde conditions d’utilisation sévères ;il s’usine facilement et résiste au

grippage sans qu’il soit besoin derecourir à des traitements ourevêtements spéciaux.

Nous pouvons livrer des élémentscylindriques avec extrémitésfiletées ou non. Citons commetypes d’applications dans ledomaine des lignes de forage :n les masses-tiges amagnétiques,n les tiges de forage pour carot-tage,n les enveloppes pour instru-ments de mesure,n les stabilisateurs amagnétiques.

Composants de lignes de forage

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Outre les semi produits déjà cités,il existe une gamme complèted’alliages de fonderie et toute unesérie de services particuliers.

Alliages-mèreLes alliages-mère classiquescomprennent les alliages cuivre-béryllium à 4 % de béryllium, lesalliages aluminium-béryllium à 5 %de béryllium et l’alliage nickel-bérylium à 6 % de béryllium.Ils sont livrés en lingotins ou engrenailles. Ces alliages sont utiliséspour désoxyder et désulfurer lecuivre et le nickel, pour durcir lecuivre, le nickel et l’aluminium,pour améliorer la propreté, lafluidité et la résistance à la corro-sion de l’aluminium, pour réduireles pertes d’éléments oxydables,tel que le magnésium, dans l’alu-minium, comme protection contrel’oxydation et l’inflammation lorsde la fusion du magnésium,et enfinpour contrôler la compositionlors de l’élaboration des diversalliages commerciaux contenantdu béryllium.

Lingotins de fonderieLes alliages cuivre-béryllium defonderie sont disponibles endiverses nuances à haute résis-tance ou haute conductibilité,sans autre addition.Ils sont utilisés dans les opéra-tions de coulées en sable ou encire perdue, pour la coulée souspression ou par centrifugation.La présence de béryllium dans lecuivre augmente la fluidité dumélange et la propreté, tout enpermettant d’obtenir un produitdurcissable par traitement ther-mique. La reproduction desdétails par moulage est excel-lente. À l’état revenu, la duretéaccroît la longévité, la con-ductibilité, permet une bonne

régulation thermique, tandis quela facilité d’usinage assure unefinition économique. Pour cesdiverses raisons, les produitscoulés sont utilisés, par exemple,pour la production de clubs degolf ou d’éléments de moulespour reproduire des décors surdes éléments en plastique injec-té, voire la fabrication d’aubescreuses de réacteurs.

Moldmax et Protherm(1)

Ces deux nuances ont été misesau point pour la fabrication decomposants de moules utilisésdans la production de pièces enmatière plastique. Il existe uneplaquette spéciale concernantces alliages.

Fabrication et servicesparticuliersPour répondre à des spécifica-tions particulières, il est possiblede réaliser en usine certainesopérations telles que le trancan-age, le redressage sous traction,la coupe à longueur, ou l’étamagedes feuillards.Il convient de nous consulterchaque fois qu’un problème partic-ulier se pose pour la réalisationd’une fabrication “sur mesure”.

Feuillards en nickel aubéryllium(1)

Ces feuillards sont utilisés pour desapplications à des températuresallant jusqu’à 370 °C. L’alliage à l’é-tat revenu offre une résistanceproche de 2 100 N/mm2. Il estdisponible à l’état écroui ou revenuen usine avec une aptitude au for-mage excellente.On les utilise pour des raccords,des rondelles belleville,et des com-posants soumis à de sévères con-traintes d’utilisation.

(1) : il existeune documentation

particulièresur ces alliages.

Autres produits et services

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Mine de béryllium à ciel ouvert dans les “Topaz Mountains” - Utah

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Mise en œuvredes alliages

Cuivre-Béryllium

Hygiène industrielleL’inhalation de béryllium sous forme de particules ou de fumées

peut causer une maladie pulmonaire grave.Pour les alliages cuivre-béryllium, ce risque est très atténué

en raison du faible pourcentage de béryllium contenudans ces alliages.

Le découpage et la plupart des opérations d’usinagene présentent aucun risque d’augmenter la concentration

de béryllium dans l’air.Cependant, pour certaines opérations susceptibles de produire

des poussières et des fumées telles que le meulage, le polissage,le soudage, l’usinage par électro-érosion ou la refusion,

une aspiration judicieusement placée permettra d’empêcherces poussières et ces fumées de se répandre dans l’atmosphère.

Il faudra obtenir un taux de concentration de particulesde béryllium inférieur à 2 µg/m3 d’air. Cette valeur est admise comme

valeur limite moyenne d’exposition à ne pas dépasser.Il existe des fiches de données de sécurité

qui sont envoyées sur simple demande.

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Il faut garder à l’esprit que la com-position, le travail à froid et lesprocessus thermiques réagissent lesuns avec les autres pour synthétiserles propriétés des cupro-béryllium,tandis que les microstructuresseront déterminantes pour la con-ception et la mise en oeuvre de cesalliages.De petites additions de bérylliumdans le cuivre mises en valeur pardes processus mécaniques etthermiques, permettent d’obtenirdes propriétés mécaniques dépas-sant largement celles de la plupartdes alliages à base de cuivre, et debeaucoup d’aciers trempés. Deplus, en contrôlant les opérationsde transformation à froid, et enutilisant des processus spécifiquesde traitement thermique, on peutobtenir des caractéristiques “surmesure” permettant de répondreà un grand nombre de demandes.

Diagrammes d’équilibreLe diagramme d’équilibre binairemontre le comportement desalliages à haute résistance. Étantdonné que ces alliages contiennent

jusqu’à 0,6 % en poids de cobalt etde nickel en plus du béryllium, lediagramme binaire n’est pasrigoureusement représentatif, maisil permet de comprendre le com-portement des alliages.À des concentrations de 1,6 à 2 %de béryllium en poids, un constitu-ant riche en béryllium appelé phaseγ (gamma) est présent en-dessousde 600 °C. Cette phase est lerésultat de la solubilité solide lim-itée du béryllium.C’est la premièrecontribution au phénomène deprécipitation.Le diagramme binaire montre qu’enchauffant au-dessus de 705 °C, onprovoque la dissolution du bérylli-um dans une phase solide appeléephase Alpha. Une trempe à l’eaurapide jusqu’à la températureambiante retient le béryllium ensolution solide. Ce processus,appelé mise en solution (outrempe) confère à l’alliage unegrande ductibilité associée à unefaible résistance mécanique.La trempe étant une partie inté-grante du processus d’élaboration,les utilisateurs n’effectuent nor-malement pas cette opération.

Si l’on chauffe la solution solidesursaturée pendant deux ou troisheures à 315 °C, on provoqueune précipitation entraînant ledurcissement de l’alliage.Le diagramme binaire montrequ’à 870 °C la limite de solubilitéest d’environ 2,7 % de Be dans lecuivre (l’addition du cobalt laréduisant à environ 2,3 %).

À la température ambiante, la solu-bilité est inférieure à 0,25 %. Cettedifférence est la clef de voûte dudurcissement.Il y a trois raisons à ajouter ducobalt aux alliages à haute résis-tance.Tout d’abord, et c’est le plusimportant, le cobalt permetd’obtenir un grain fin en limitant legrossissement du grain pendant laphase de mise en solution.Deuxièmement, le cobalt rend laphase de revenu moins sensible àl’effet de temps de maintien.Enfin il permet un léger accroisse-ment de la dureté maximale.

Principes des traitements thermiques

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Nous avons en bas à droite de la page 26, un exemple de dia-gramme d’équilibre pseudo binaire (composés de béryllium-nickel dans le cuivre). Il s’agit de l’alliage 3, alliage à haute con-ductibilité. Cette nuance a une teneur en béryllium compriseentre 0,2 et 0,6 %. Dans cet alliage, la majeure partie dubéryllium se trouve sous forme de composés intermé-talliques. Les composés grossiers formés durant la solidifica-tion limitent le grossissement du grain pendant la mise ensolution, tandis que les composés fins, formés pendant laphase de durcissement par précipitation, améliorent ladureté.

La mise en solution et le revenu de ces alliages s’effectuent àdes températures plus élevées que pour les alliages à hauterésistance. La stabilité de la phase de durcissement à tem-pérature élevée permet, pour cette famille d’alliages,d’obtenir une meilleure résistance au fluage et à la relaxationsous contrainte.

Réaction au travail à froidLe travail à froid dans un alliage durcissable par précipitationprovoque une déformation plastique (écrouissage), à unetempérature inférieure au seuil de précipitation.Des opérations telles que le laminage, l’étirage, le pliage, oul’écrasement, opérations type de travail à froid, changentles dimensions de l’échantillon, essentiellement dans deuxdirections.

Le travail à froid augmente la résistance et la dureté ducuivre au béryllium, comme on peut le voir sur lescourbes. À cette augmentation de dureté et de résistancecorrespond une diminution progressive de la ductibilitéreprésentée par l’allongement à rupture.Les effets du travail à froid (écrouissage) sont particulière-ment significatifs dans le cas des produits subissant unrevenu après écrouissage. L’écrouissage augmente le nom-bre de sites de précipitations et, partant, accélère le dur-cissement.Cependant la diminution de l’allongement en fonction del’écrouissage est beaucoup moins rapide que pour les produitsnon revenus.

Lors de la fabrication des semi-produits, le travail à froid per-met d’obtenir des tolérances et des profils précis. La mise ensolution d’un produit travaillé à froid dans des conditionsstrictement contrôlées permet un affinage du grain et réduitl’isotropie. La combinaison judicieuse des cycles d’écrouis-sage et recuit (trempe) en cours de fabrication, permet l’ob-tention de dimensions précises et d’une microstructure biencontrôlée.

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La réponse au revenu dépend du temps, de la tempéra-ture et du taux de travail à froid, l’obtention de la résis-tance étant fonction des dimensions et de la distribu-tion des précipités. Pour chaque nuance, il existe unecombinaison température-temps considérée commestandard car elle permet d’obtenir la résistance ou ladureté maximale. Une température plus élevée engen-dre une précipitation plus rapide et donc un durcisse-ment accéléré, tandis qu’une température plus basseprovoque un durcissement plus lent.L’interruption du revenu avant le temps nécessaire à l’ob-tention de la résistance maximale est appelé “sous-revenu”. La tenacité, la résistance à la fatigue et, dans cer-tains cas, la résistance à la corrosion s’en trouventaméliorées.Le “sur-revenu” est la conséquence d’un chauffage surune période plus longue que celle nécessaire à l’obtentionde la résistance maximale. Cette opération provoque laformation de précipités plus grossiers et donc, entraîneune moindre résistance et une moindre dureté. Enrevanche, on améliore les conductibilités électriques etthermiques, ainsi que la stabilité dimensionnelle. Il fautcependant éviter un sur-revenu trop poussé.

Le revenu ne nécessite normalement ni refroidissementcontrôlé, ni atmosphère spéciale. Une atmosphère pro-tectrice est cependant utile, spécialement lorsqu’elle estrecyclée, pour réduire les gradients thermiques. Uneatmosphère à bas point de rosée à 5 % d’hydrogène dansl’azote est un exemple de ce qui permet d’améliorer untransfert économique de chaleur tout en minimisant lesexigences de décapage après revenu. Le revenu sous videest difficile à réaliser à cause de la nature non uniformedu chauffage par rayonnement.

Le revenu augmente légèrement la masse volumiquedes alliages à haute résistance à cause de la réactionde précipitation.Par ailleurs le revenu s’accompagne d’une contractionvolumique d’environ 0,2 %. Les changements dimension-nels des alliages à haute conductibilité sont négligeablespour la plupart des applications. On peut utiliser des con-formateurs pour le revenu afin d’éviter des distorsions.

Les tensions résiduelles qui peuvent subsister, à la suite decertaines déformations, après le revenu, peuvent être sup-primées sans perte de dureté.Un chauffage dans une zone de température compriseentre 150 et 200 °C pendant deux heures, est en généralsuffisant pour atténuer au moins en partie, les tensionsrésiduelles.

Revenu

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30

Le revenu standard pour l’alliage 25 est de 315 °C pendantdeux ou trois heures : deux heures pour les états écrouis ettrois heures pour l’état mis en solution (trempé).Les résultatsobtenus à des températures de 260, 315, 370 et 425 °C fig-urent sur les courbes pages 28 et 29, pour les états trempé,demi-dur (1/2 écroui) et 4/4 dur (écroui).Trois points méritent d’être soulignés à ce propos :1) Le revenu à 315-320 °C permet d’obtenir la résistancemaximale,quel que soit l’état d’écrouissage de départ.La tem-pérature la plus élevée permet d’obtenir la plus haute résis-tance dans le temps le plus court,mais la résistance maximaleest diminuée. Un chauffage à basse température augmente larésistance à un rythme plus lent mais, bien qu’une valeurélevée puisse être obtenue, le processus est très long.2) Le travail à froid (écrouissage) améliore les niveaux derésistance,quelle que soit la température de revenu.Quand letaux de travail à froid augmente, le temps de maintien à tem-pérature pour obtenir la résistance maximale diminue.3) La ductilité décroît quand la résistance augmente. Il fautnoter aussi que le sur-revenu améliore la ductilité mais audétriment de la résistance.Pour certaines applications ne nécessitant pas les propriétésmaximales,on peut effectuer un cycle court à haute tempéra-ture. Par exemple, un traitement à 370 °C permet d’obtenirla résistance maximale en 30 minutes. Les paramètrestemps/température, en particulier le rythme de chauffage etde refroidissement, ont une influence prépondérante sur l’in-tensité du durcissement. En conséquence, lorsque l’on utiliseune méthode de durcissement particulière, la combinaisontemps/température doit être déterminée par essais sur deséchantillons avant de lancer la production.

Alliages à haute résistance

Les courbes-types de revenu de ces alliages à l’état mis ensolution figurent ci-contre. Bien que les températuressoient différentes de celles de l’alliage 25, les principesdemeurent.Un revenu à 455 °C permet d’obtenir la résis-tance la plus élevée mais on recommande généralement,pour ces alliages,une température de 480 °C pour obtenirla meilleure conductibilité électrique.L’augmentation de la température de revenu réduit letemps nécessaire pour atteindre la résistance maxi-male mais les valeurs obtenues sont moindres.Lorsque le temps augmente, l’allongement décroît, tan-dis que la résistance peut augmenter de manièreasymptomatique. Au-delà de deux heures, le taux dechangement de la ductilité devient négligeable.

Alliagesà haute conductibilité

°

°

°

°

°

°

° ° °

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Les effets combinés de la com-position, du travail à froid et dutraitement thermique, sont illus-trés par les microstructures ducuivre au béryllium.Les principales caractéristiquesapparaissent sur un échantillonpréparé par attaque chimique aupersulfate hydroxyde d’ammoni-um et au bichromate de potassi-um. Le premier agent révèle lesjoints de grains dans tous lesétats et montre les effets du tra-vail à froid sur le métal revenu. Lesecond agent met en évidence,sur un échantillon poli, les com-posés de béryllium.

Quelques microstructures

Alliage 3 trempé (A) et trempé revenu (AT). 400X

Les alliages à haute conductibilité se caractérisent dans les étatstrempés (A) et trempés revenus (AT) par une structure de gainséqui-axe avec une précipitation de composés de béryllium riches ennickel ou en cobalt.

Alliage 25 état trempé(A) et écroui (H).400 X

La microstructure de l’étattrempé révèle une structureéqui-axe avec des composéscobalt-béryllium uniformé-ment dispersés. Celle dumétal écroui montre leseffets d’une réduction d’é-paisseur par laminage à froidde 37 % sur la structure dedépart. Le laminage allonge lastructure des grains dans lesens du laminage.

Alliage 25 trempé revenu (AT) et écroui revenu(HT). 400X

L’alliage 25 à l’état AT montre quelques précipités aux joints desgains à l’état revenu maximum. L’écrouissage ajouté au revenuengendre la plus grande dureté et la résistance maximale. Lamicrostructure de l’état HT montre l’effet du revenu sur l’alliage25 écroui. Le revenu normal ne change pas la grosseur de grain parrapport à un métal trempé et la précipitation de phase gamman’est pas visible à ce grossissement.

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Les cupro-bérylliums offrent toutesles possibilités de soudure et derevêtement que l’on connaît bienpour les alliages cuivreux.Cependant,comme ils sont souventutilisés pour des applications deprécision, la propreté des surfacesdoit être considérée comme un élé-ment critique lorsque les piècesdoivent être revêtues ou assem-blées par soudure tendre, brasageou soudure. Toutes les substancesétrangères telles que l’huile, lagraisse, la peinture, la poussière, lasaleté, la ternissure, ou l’oxydedoivent être éliminées avant cesopérations. “On n’insistera jamaisassez sur ce point car bien desproblèmes mettant en cause lerevêtement ou la soudure provi-ennent en définitive d’un déca-page inadéquat ou mal conduit”.

Décapage

La première étape de la préparationdu cupro-béryllium pour les opéra-tions de revêtement et de soudureest l’élimination de toutes les souil-lures, en particulier les huiles et lesgraisses. Elles sont normalementprésentes en tant que résidus deslubrifiants utilisés pendant lesopérations de mise en forme ou à lasuite d’exposition à des atmo-sphères chargées de microparticulesd’huile telles qu’on en trouve dansles ateliers.Les lubrifiants contenantdu soufre, si on ne les élimine pasrapidement,peuvent pour leur part,tacher les alliages cuivre-béryllium.Les souillures résultant des opéra-tions de manutention, avec lestraces de doigts ou les marques lais-sées par des gants gras sontnotoirement nocives.

Les nettoyants conventionnels telsque les solvants organiques et lessolutions alcalines sont normale-ment suffisants pour enlever lesrésidus huileux. On doit prendre

garde à ce que les concentrationsde solutions, les températures,et lesdébits soient maintenus dans leslimites convenables et à ce quesoient maintenus des systèmes depompage ou de filtration appro-priés. Le dégraissage à la vapeur estparticulièrement indiqué pourenlever les huiles et les graisses. Lephosphate trisodique et les solu-tions alcalines similaires, y comprisde nombreuses formules “maison”donnent également satisfaction, tan-dis que le décapage ultrasonique ouélectrolytique peut encore s’ajouterà ces moyens pour obtenir lesmeilleurs résultats.Toutes les solutions de décapagedoivent soigneusement êtreéliminées de toutes les surfaces.Tous les problèmes pouvant seposer, lors de l’essai d’un déca-pant, doivent être résolus par desessais sur échantillon.Comme tous les alliages de cuivre,la surface des cuivres au bérylliumpeut se couvrir d’une fine pelliculed’oxyde, une ternissure, lorsqu’ellereste exposée à l’air. La formationde cette pellicule terne estaccélérée par la chaleur et laprésence d’humidité. L’oxydationest le résultat normal du traitementthermique, et même si l’on utiliseune atmosphère protectrice, ilfaut s’attendre à la formationd’oxydes qui sont préjudiciablesaux opérations de soudure et derevêtement.À noter que les feuillards revenussont soigneusement décapés et neu-tralisés avant livraison.Les oxydes de surface se présen-tent sous deux formes : l’oxyde debéryllium présent sur les surfacesexposées aux hautes températuresrequises lors de la mise en solution,et les combinaisons d’oxyde debéryllium et de cuivre qui apparais-sent sur les pièces après le revenu.Nous ne parlerons pas ici del’élimination d’un film continud’oxyde de béryllium, étant

donné qu’il n’apparaît qu’aucours de l’opération de soudureou de mise en solution. Il convien-dra dans ces cas de contacter lefabricant qui indiquera les procé-dures de décapage appropriées.

On peut préparer la surface desalliages cuivre-béryllium pour lesrevêtir ou les souder, ou simple-ment pour leur restituer leurapparence brillante originale avec leprocessus suivant :1) Immerger les pièces sans unesolution aqueuse à 50/55 °C et à 20ou 25 % en volume d’acide sulfu-rique à laquelle on ajoute 2 à 3 % envolume d’eau oxygénée. Le tempsd’immersion est le temps néces-saire à la disparition de la colorationfoncée et à l’obtention de l’état desurface désiré.2) Rincer soigneusement et sécher.Lorsque c’est nécessaire, les piècesfabriquées dans le métal revenu enusine peuvent être décapées par leprocessus décrit ci-dessus. Danstous les cas, il faut veiller à ne pasimmerger les pièces trop longtempset éviter les concentrations exces-sives d’acide, ce qui pourrait provo-quer un enlèvement de métal etune diminution mesurable desdimensions.

Galvanoplastie

Le cuivre, le chrome, l’or, l’argent, lenickel, l’étain et d’autres métaux sontcouramment déposés sur les alliagescuivre-béryllium. BRUSH WELL-MAN livre des bandes plaquées.

Alliages autres que le M251) Nettoyage cathodique avec unesolution alcaline chaude.2) Rinçage à l’eau froide.3) Immersion 10 à 15 secondesdans une solution à 50-55 °C et à20-25 % en volume d’acide sulfu-rique à laquelle on ajoutera 2 à 3 %en volume d’eau oxygénée.

Décapage et finition

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Alliage M251) Nettoyage cathodique avec unesolution alcaline chaude.2) Rinçage à l’eau froide.3) Immersion 10 à 15 secondesdans une solution aqueuse à tem-pérature ambiante contenant 10 à12 % en volume d’acide fluo-borique.4) On peut enfin, mais cela estfacultatif, appliquer un cyanure decuivre pour favoriser l’adhésioncomme cela est recommandé pourla plupart des alliages de cuivre.Les alliages cuivre-béryllium peu-vent se colorer par toutes sortesde techniques conventionnellesutilisées pour les alliages cuivreux.Le brossage humide, le polissage audisque,et le polissage électrolytiquesont des procédés utilisés pourobtenir des finitions de surfacesextrêmement poussées.Le meilleur polissage électrolytiqueest obtenu avec un électrolyte acidenitrique/méthanol à 57 %. Un élec-trolyte acide phosphorique/chro-mate peut être utilisé à l’ambiantemais avec le risque de laisser appa-raître des particules intermé-talliques en relief.On peut mélangerde l’acide phosphorique, de l’acidenitrique, et de l’acide acétique pourobtenir une solution de polissagechimique utilisable à 70 °C.

AssemblageLe soudage et le brasage sont destechniques d’assemblage courantespour les cupro-bérylliums. Commepour tous les alliages durcissablespar précipitation, le temps dechauffage et la température doiventêtre contrôlés pendant l’opérationd’assemblage. Le soudage du cuivreau béryllium présente des avan-tages par rapport à certains alliagespour lesquels la résistance dépendde l’écrouissage.Pour les cuivres aubéryllium, la zone de soudage gardejusqu’à 90 % ou plus des propriétésmécaniques du métal de base. Lasensibilisation et les autres diffi-

cultés que l’on rencontre ensoudant d’autres alliages ne sontpas un problème avec les cupro-bérylliums.

Le soudage tendre

On le recommande normalementlorsque la température prévision-nelle d’utilisation est inférieure à150 °C et qu’il est difficile d’assurerla continuité thermique et élec-trique avec un système d’assem-blage mécanique. Cette opérationpeut se faire en automatique etpeut être réalisée par un chauffagepar résistance, induction, infrarougeou flamme. Les techniques d’appli-cation incluent immersion, phasevapeur, ou autre. On peut effectuerle soudage tendre du cuivre aubéryllium après un revenu, sansporter préjudice aux caractéris-tiques mécaniques. La plupart desflux standards peuvent être utilisésmais sans que ces flux ne se sub-stituent à un décapage approprié.Les fondants activés à la colophane(grades RMA ou RA) sontrecommandés mais ils doiventêtre éliminés par un rinçage à l’eauchaude après soudage pourprévenir toute corrosion. Il fautnormalement assembler les piècesaussitôt après avoir préparé la sur-face. Si on ne peut procéder ainsi, ilfaut entreposer les pièces dans unlocal propre, protégé des vapeursacides sulfureuses ou ammoniacales.La durée de conservation de lazone d’assemblage peut être pro-longée en passivant la surface avecdu benzotriazole (BTA) ou parrecouvrement avec de l’étain purou un mélange étaim-plomb.On peut utiliser toutes lessoudures classiques pour souder lecupro-béryllium. L’alliage 60/40contenant 60 % d’étain et 40 % deplomb est généralement recom-mandé pour les applications élec-troniques,en particulier si on utilisedes processus à grande vitesse.Le soudage manuel permet unecertaine latitude dans l’emploi

des soudures et l’alliage 50/50plomb-étain peut, parmi d’autres,être utilisé.

Brasage

Comparé au soudage tendre, lebrasage permet d’obtenir une plusgrande résistance et une meilleuretenue aux températures moyennes.Étant donné que l’opération s’ef-fectue à une température relative-ment élevée, il est préférable debraser avant revenu. On peut aussibraser un métal revenu à conditiond’utiliser un cycle rapide. On utiliseles temps et températures les plusréduits permettant d’assurer lapénétration de la brasure.

La propreté de la surface est un élé-ment essentiel d’un bon brasage.Lasurface doit être nettoyée etexempte de toute trace de saleté etd’huile. On utilise une solutionaqueuse à 10 ou 20 % d’acidenitrique et l’on rince soigneuse-ment. Le brasage peut oxyderlégèrement les surfaces. Il faut alors,pour enlever l’oxyde, immerger lespièces dans une solution à 50 %d’hydroxyde de sodium à 130 °Csuivi d’un décapage acide normal.Le brasage au four par induction ouà la torche, sont des procédéscourants.La réussite dépend de fac-teurs tels que le type d’assemblageet la dimension de la pièce, et deparamètres thermiques tels que laquantité de chaleur reçue et savitesse de dissipation. On peututiliser des systèmes derefroidissement pour limiterl’échauffement dans la zoned’assemblage. Le cycle de brasagedoit être court pour éviter le sur-revenu. Les grosses pièces braséesau four doivent être trempées àl’eau afin de permettre un revenuultérieur.Dans tous les cas, les tem-pératures ne doivent pas dépasserles températures de mise en solu-tion soit 790 °C pour les alliages àhaute résistance et 870 °C pour lesalliages à haute conductibilité.

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UsinageL’usinage par enlèvement de métalpeut être réalisé sur les cupro-béryl-liums avec des vitesses équivalentesou supérieures aux valeurs publiéespour les alliages cuivreux et lesaciers inoxydables de décolletage.Ceci ne se fait pas au détriment dela durée de vie de l’outil, pourvuqu’on utilise des outils et des lubrifi-ants appropriés.

Le tableau page 35 donne quelquesindications sur les vitesses et pro-fondeurs de coupe. Les taux d’en-lèvement élevés posent quelquefoisdes problèmes d’enlèvement decopeaux pour les produits trempésou écrouis. En effet, les copeauxlongs, minces et résistants sont par-fois difficiles à éliminer. Pour évitercet écueil, les cupro-bérylliums sontgénéralement usinés à l’état revenu.En plus,cela permet l’élimination desopérations de revenu et de déca-page après usinage.

L’alliage M25, dans n’importe quelétat, permet, en revanche, unmeilleur contrôle du copeau grâce àune addition soigneusement con-trôlée de plomb.Cet alliage est bienadapté aux opérations d’usinage surtours automatiques, car le plombréduit l’usure des outils et élimine lebourrage des copeaux.On peut voir ici deux microstruc-tures, l’une d’alliage 25 trempé etrevenu, l’autre d’alliage M25, dans lemême état (grossissement 400). Laprésence du plomb dans l’alliageM25 est mise en évidence par unepréparation métallographique parti-

culière.Le plomb,qui est reparti uni-formément, apparaît sous forme defines particules visibles à l’intérieurdes cercles, grâce à un procédé spé-cial d’attaque chimique. Bien que laprésence du plomb limite les opéra-tions de travail à chaud,elle n’affecteen aucune manière la réponse aurevenu qui est identique à celle del’alliage 25.Comme pour de nombreux alliagesà hautes performances, l’usinagepeut durcir la surface du cupro-béryllium. Une profondeur de passetrop faible ou un outil usé peuventaccentuer ce durcissement. Pourobtenir les meilleurs résultats, il fauts’assurer que les outils sont bienaffûtés, que l’avance est suffisante, etque chaque passe pénètre bien en-dessous de la couche écrouie par lapasse précédente.

Les outils de coupe doivent êtrebien affûtés avec un angle de coupepositif compris entre 5 et 20degrés et il est judicieux d’utiliserun brise-copeaux.

On recommande, pour améliorerl’état de surface et la vie des outils,d’utiliser des huiles de coupecomme agents de refroidissement.il s’agit habituellement d’émulsionssynthétiques et d’huiles solublesdans l’eau. Les meilleurs états desurface sont obtenus avec deshuiles sulfurisées, mais ces huilesternissent les cupro-béryllium(comme d’ailleurs les autresalliages de cuivre). Les taches nesont pas nocives mais elles doiventêtre enlevées après usinage,surtout si les pièces doiventensuite subir un revenu.

On usine aussi les alliages cuivre-béryllium par d’autres procédésconventionnels tels que le meulageou l’abrasion. Il faut suivre les con-seils donnés par les fabricants demeules pour déterminer le type demeule, la vitesse, le taux d’enlève-ment de métal, et les agents derefroidissement. Le meulage nedoit jamais s’effectuer à sec.

Enfin, les cupro-bérylliums peuventêtre aussi usinés par des méthodesnon conventionnelles, telles quel’usinage photochimique des feuil-lards avec utilisation de masques,l’usinage par électro-érosion, soitpar enfonçage, soit par fil ou enfin,l’usinage électrochimique.

Soudage

C’est un procédé couramment utilisé,mais il faut prendre des précautions. Il faut porter une attention particulièreau type d’assemblage, au préchauffage (à une température inférieure à la température de revenu), à la techniquede soudage. Les cupro-béryllium se soudent facilement par résistance, soit par point, soit avec un cordon desoudure, avec eux-mêmes ou d’autres métaux. On utilise aussi le laser ou les ultrasons. On peut utiliser lesprocédés TIG (Tungsten arc Inert Gas), MIG (Metal arc Inert Gas), l’arc-plasma et le faisceau électronique. Lerevenu peut s’effectuer après l’opération si l’on ne cherche pas à obtenir les caractéristiques maximales dans lazone de soudage, et si la soudure est située dans une zone de moindre contrainte.

Alliage M 25 AT(400x)

Alliage 25 AT(400x)

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DuretéBien que la mesure des caractéris-tiques mécaniques doive se fairepar un essai de traction, la duretédonne des approximations utiles. Ils’agit essentiellement d’un test nondestructif adapté aux pièces finies,et l’équipement est mobile.C’est ainsi qu’on peut mesurerassez facilement la dureté d’uncontact miniature, d’une électrodede soudure par résistance, ou d’unpalier de train d’atterissage.Chaque test de dureté trouve seslimites en fonction de l’épaisseurdu produit. La méthode de mesuredoit donc tenir compte de cettedimension. Le tableau indique lesépaisseurs minimales appropriéesen fonction des différentesméthodes de mesure.Attention cependant ! Les valeursde dureté mesurées selon uneméthode donnée, ne correspon-

dent pas toujours aux valeursmesurées par une méthode dif-férente. On doit donc éviter lesconversions.Prenons un exemple !Si une dureté de 37 Rockwell Cminimum est exigée, il faut éviterde procéder à une mesure utilisantl’échelle 15N ou 30N et ensuiteconvertir en Rockwell C. Il faut, aucontraire, effectuer directement lamesure en Rockwell C.La conversion peut à la rigueurêtre effectuée pour des applica-tions moins critiques telles que

la mesure de dureté d’un demiproduit.La dureté Vickers a l’avantage decouvrir toute la gamme de duretédes produits métalliques et onpeut, dans ce cas, comparerdirectement les duretés de pro-duits de dimensions différentes.Les techniques de mesures parmicro-duretés sont largementutilisées pour les feuillards fins,les fils, et d’une manière généralepour les produits de petitesdimensions.

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Résistanceà la fatigueLes alliages cuivre-béryllium sont utilisés depuislongtemps sous forme de fils et feuillards pourfabriquer des connecteurs et des ressorts decontact devant subir des contraintes cycliques.

On les utilise aussi pour la réalisation de com-posants plus lourds. C’est le cas par exemple desbagues de trains d’atterissage, de certains élé-ments de roulements et de certains équipementsutilisés dans les techniques de forages pétroliers.Cette résistance aux contraintes cycliques estune des caractéristiques remarquables descupro-bérylliums. Ces contraintes sont généréespar des flexions unilatérales ou alternées, descontraintes axiales, ou encore des flexions rota-tives.

La résistance à la fatigue se définit comme la con-trainte maximale pouvant être appliquée pour unnombre défini de cycles sans rupture. Lorsque lenombre de cycles est faible, la valeur de la résis-tance sous contrainte alternée approche la valeurde la résistance statique. En revanche, quand lenombre de cycles va de un million à dix millions,cette valeur diminue jusqu’à devenir une fractionde celle de la résistance statique.

Les alliages cuivre-béryllium résistent à la rupturepar fatigue grâce à leur résistance statique, à leurtenacité et leur aptitude à augmenter leur résis-tance par le travail à froid.

La capacité de résistance à la fatigue est illustréepar les courbes ci-contre. Le rapport contrainteminimale/contrainte maximale, ou rapport decontrainte, est défini par la lettre R. Il définit lesconditions de l’essai. La résistance à la fatiguesera plus grande dans le cas d’une déflexion uni-directionnelle (R=0) que dans le cas d’une flexionalternée rotative (R=-1). Les essais classiquesmesurent la résistance à la fatigue sur éprou-vettes plates ou rondes.

Les chiffres indiqués ici doivent être considéréscomme indicatifs car les performances dépen-dent des qualités de surface et des conditions deservice. Il faudra veiller à obtenir la meilleure sur-face possible, en particulier aux angles et auxrayons de filets, pour tirer le maximum d’avan-tages de ces alliages.

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Résistanceà la corrosion

Résistance à la corrosionatmosphérique et conser-vation

Dans les conditions d’environ-nement généralement rencon-trées durant la production, lestockage, et l’utilisation desappareils électriques et électron-iques, la résistance à la corrosiondes alliages cuivre-béryllium estsupérieure à celle de la plupartdes alliages de cuivre.La résistance à la ternissure estcritique car la plupart des com-posants électroniques sontsoudés après un stockage pro-longé. L’inhibition de la surfacepar le benzotriazote (BTA) réduitla formation d’oxyde et améliore ladurée de conservation. Pour unesoudabilité maximale les cupro-bérylliums doivent être revêtusavant stockage.

Environnements marins

La résistance à la corrosion àl’eau douce ou salée du cupro-béryllium est bonne grâce à unevitesse de corrosion lente et àune résistance inhérente à l’ac-tion des salissures biologiques.Des enveloppes de répéteursde câbles sous-marins sont enservice depuis plus de trenteans, sans montrer aucun signe decorrosion préjudiciable à leurusage. Le cupro-béryllium avaitété choisi pour ses qualités derésistance, usinabilité et résis-tance à la corrosion.

Environnementsindustriels

La résistance à la corrosion estbonne vis-vis des glycols, alcools,

esters, cétones, hydrocarbures etde la plupart des solvantsorganiques. La sensibilité ducupro-béryllium aux impuretéscontenues dans ces liquides estplus grande que la sensibilité auxliquides eux-mêmes. C’est ainsique la présence de traces de sul-fure, d’acides, d’alcalis, d’eau, ou desels peut accélérer la corrosion.Les fumées de chlorures depolyvinyle (PVC) et les siliconesRTV corrodent les alliagescuivre-béryllium et d’autresalliages cuivreux. Les émana-tions d’autres matières plas-tiques, telles que le nylon, l’acé-tal ou le polytétrafluoréthylène(PTFE) n’affectent pas lesalliages cuivreux.La résistance à la corrosion estsatisfaisante dans les solutionsaqueuses de la plupart deshydroxydes alcalins, chaudes oufroides. En revanche, le cuivre aubéryllium ne résiste pas auxsolutions ammoniacales quiprovoquent une corrosion fissur-ante. De même, le cuivre aubéryllium ne doit pas être encontact avec le gaz ammoniac,sauf si celui-ci est sec et

totalement dépourvu d’oxygène.Ces alliages résistent à la corro-sion de l’acide sulfurique concen-tré froid, de l’acide sulfuriquedilué froid ou chaud ou de l’acidechlorydrique dilué à froid.Cependant, comme pourd’autres alliages de cuivre, lesexpositions aux acides oxydantsconcentrés, tels que l’acidenitrique, sont déconseillées.Les acides, tels que l’acidechlorhydrique et l’acide sulfu-rique deviennent corrosifslorsqu’ils contiennent desimpuretés oxydantes.Le cuivre au béryllium n’est passensible à la corrosion fissurantecausée par les ions chlorure, àl’inverse des aciers inoxydables.Ceci en fait un matériau idéalpour des applications de foragespétroliers.Les alliages cuivre-béryllium résis-tent à la fragilisation par l’hy-drogène mais sont susceptiblesde ruptures différées dues à unefragilisation par contact avec unmétal liquide tel que le mercure.Le durcissement par écrouissageou par traitement thermique aug-mente cette susceptibilité.

Comportement des cupro-bérylliumssuivant l’environnement

n Industriel : durée de conservation pour opérations de soudure jusqu’à 18mois.n Urbain : résistance à la sulfurisation cinq fois supérieure à celle du cuivre.n Eau de mer statique : moins de 0,05 mm par an.n Biosalissures :bon comportement prouvé après trente années d’exposition.n Chlorures saturés : insensible à la corrosion fissurante dans les chloruresde sodium, de potassium, de magnésium, et les sels mixtes.n Hydrogène : pas d’effet sur la ductilité après recharge cathodique pendantplus de 100 heures à 32 °C (90 °F).n Organiques : compatibilité avec la plupart des solvants bien que des impu-retés puissent provoquer des corrosions.n Fumées organiques : résistance à évaluer cas par cas.n Acides dilués et alcalis : à utiliser avec précaution.n Acides oxydants concentrés : utilisation déconseillée.n Gaz ammoniac : résistants aux attaques par le gaz ammoniac anhydre, laprésence d’humidité provoque la fissuration par corrosion sous tension.n Mercure et autres métaux liquides : à éviter.n Divers : attaqués par les chlorures et sulfures ferriques les solutionsammoniacales et les composés du mercure.

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Les alliages cuivre-bérylliumsont utilisés dans les con-necteurs pour leurs propriétésélastiques et leur formabilité,pour fabriquer des commuta-teurs où l’on recherche leurrésistance à la fatigue et leurconductibilité électrique, oupour la réalisation d’électrodesde soudure où l’on a besoin deleur dureté et de leur con-ductibilité thermique.Ces alliages possèdent beau-coup d’autres caractéristiquesutiles dont le concepteur pour-ra tenir compte.

Nous en présentons quelquesunes ici.

Antidéflagrants : c’est l’unedes caractéristiques les plusanciennement connue de cesalliages utilisés pour la fabrica-tion d’outillage pour desindustries où le risque d’uneétincelle n’est pas admissible.Au moment de l’impact, uneparticule chaude, riche encuivre, se refroidit rapidementet ne s’enflamme pas. De plus,la dureté du cuivre au bérylli-um lui assure une longévitésuffisante.

Amagnétiques : la perméabilitémagnétique de l’alliage 25 soumisà un champ magnétique d’uneintensité de 1 000 Gauss estcomprise entre 0,997 et 1,003(une perméabilité magnétique de1 représente la transparencepour des champs à variationlente). Cette propriété n’est pasaffectée par l’écrouissage, à l’in-verse d’autres alliages non mag-nétiques qui peuvent devenir à lasuite d’opérations d’usinage oude pliage. Combinées avec unerésistance ou une ténacité à larupture élevée, et une bonne sta-bilité dimentionnelle, ces pro-priétés permettent une utilisa-

tion par exemple commeenveloppe de protection desinstruments de mesure dechamps magnétiques.

Résistants au grippage : cettepropriété est inhérente à ce typed’alliages et permet le contactavec d’autres alliages, avec unminimum de frottement et dedétérioration des surfaces. Lesjoins filetés en cuivre au bérylliumen contact avec un cuivre aubéryllium ou un acier inoxydable,ne grippent pas même en cas desurcharge. Cette excellente résis-tance au grippage est due à unedureté élevée, à une aptitude àl’autolubrification, à la présenced’un film de surface, et à uneconductibilité thermique élevée.

Comportement en environ-nement cryogénique : on utilisele cuivre au béryllium dansl’hydrogène et dans l’oxygèneliquide car il garde ses pro-priétés de résistance et detenacité en milieu cryogénique.Il n’y a pas, pour ces alliages, detempérature de transitiond’une phase de ductibilité àune phase de fragilité.

Autres propriétés

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Résistance à haute température : la stabilité descaractéristiques mécaniques est bonne dans une zonecomprise entre les températures cryogéniques et unetempérature de 260 °C. Des tests effectués sous descontraintes normales ont montré que les caractéris-tiques mécaniques se maintiennent, pour l’essentiel,de la température ambiante à 260 °C.

Les alliages à haute conductibilité gardent leur résis-tance jusqu’aux environs de 300 °C. La dureté de cesalliages conduit à les utiliser pour les électrodes desoudure et les éléments de moules pour l’injection dematières plastiques.

Pouvoir réfléchissant : le cuivre au béryllium peutse polir comme un miroir. Sa surface, reflète effi-cacement la lumière grâce à sa couleur dorée,particulièrement dans le spectre des infrarouges.Le pouvoir réfléchissant de ces alliages, leurusinabilité et leur stabilité dimensionnelle, permetde les utiliser pour la réalisation de miroirs dansle cas où s’exercent par exemple des contraintesde centrifugation.

Stabilité dimensionnelle : si on utilise le revenupour augmenter la dureté et la résistance, on s’ensert aussi pour diminuer les contraintes dans lemétal. Ceci permet de maintenir une excellente sta-bilité dimensionnelle durant les opérations d’usinageou de découpe.

Traitements de surfaces spéciaux : la modificationdes états de surface des alliages cuivre-bérylliumpermet d’obtenir des caractéristiques particulières.Ainsi, un oxyde formé à haute température permetd’augmenter sensiblement les émissions d’électronssecondaires. On utilise aussi diverses techniquespour obtenir un durcissement dans une zonelimitée. Le laser et les techniques de bombardementélectronique permettent d’obtenir des états desurface allant jusqu’au glaçage.On utilise également des revêtements pour obtenirun meilleur pouvoir d’émission ou une plus grandedureté.

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Qui est BrushWellman ?

Brush Wellman est le producteur des alliages décrits tout au long de cette plaquette.Voici quelques informations sur cette société.

Historique de la sociétéLa Brush Beryllium Company fut fondée en 1931 pour commercialiser la technologie du béryllium

des laboratoires Brush développée à partir de 1921 par Charles Brush Jr et le Docteur BaldwinSawyer. Ce travail de pionnier était axé sur l’extraction du minerai et la production de métal,

d’oxyde et d’alliage-mère. À la fin des années 40, la Commission de l’Énergie Atomique Américaine(AEC) commença à s’intéresser à la technologie de la fabrication du béryllium métal en poudre,

et devint le premier client important pour le métal et l’oxyde de béryllium.Les applications commerciales commencèrent à prendre de l’importance dans les années 50et en 1953, Brush construisit une petite usine de production d’alliage-mère à Elmore (Ohio).

Cette usine est actuellement la plus moderne et la plus importante du monde.En 1958 ce fut l’achat de la Penn Precision Product Company de Reading en Pensylvanie,

ce qui permit à la compagnie de démarrer la productiond’une gamme complète de produits laminés en alliage cuivre-béryllium.

Dans les années 60 Brush acquit des droits d’exploitation sur des mines situées dans la zonedes Topaz Mountains dans l’état de l’Utah et commença à développer

des techniques d’extraction de ces minerais.En 1971, Brush acheta la division SK Wellman de la société Abex Corporation, producteur

de matériaux de frottements métalliques et en graphite. C’est à l’époque que la compagniechangea son nom en Brush Wellman. La division SK Wellman devait être revendue ultérieurement.

Les années 80 ont été des années de forte expansion pour la compagnie qui créa trois filiales,en Angleterre (BW Ltd), en RFA (BW GmbH) et au Japon (BW Japan Ltd).

Il y eut ensuite l’acquisition de Technical Materials Inc (TMI), société spécialisée dans les métauxplaqués, avant l’achat en 1986 de la société Williams Gold Refining Co. Inc qui permetà la compagnie de prendre pied dans le raffinage et le laminage des métaux précieux.En1990, enfin Brush achetait Electrofusion Corporation afin de se doter d’une capacité

de fabrication de composants en béryllium métal.

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Exploitationminièreet fabricationLe processus d’élaboration desalliages de cuivre au bérylliumdémarre à partir des mines deTopaz Spor dans l’Utah. Il s’agitdu seul gisement de Bertranditeconnu dans le monde libre à cejour.

Le minerai est extrait à cielouvert et alimente l’usine deDelta (Utah) qui transforme ceminerai brut en hydroxyde debéryllium. Cet hydroxyde estensuite acheminé vers l’usined’Elmore (Ohio) où s’effectuel’élaboration des alliages.

Usine d’Elmore

On y effectue les opérationssuivantes :n Réduction de l’hydroxyde debérylliumn Fusion et couléen Laminage à chaud et à froidn Extrusion/filage à chaudn Étirage à froidn Mise en solution et revenun Décapagen Planagen Redressagen Sciagen Revêtement de surfacen Usinage

Usine de Reading

C’est là que sont produits lesfeuillards fins et les fils.Les différentes opérations aux-quelles on procède sont :n Laminagen Étirage et tréfilagen Décapagen Mise en solutionn Revenu

n Dégraissagen Refendagen Souduren Trancanage

Les feuillards sont normalementlaminé jusqu’à 0,05 mm et les filstréfilés jusqu’à 1,27 mm.

La QualitéIl s’agit de la priorité numéro un pour les membres dupersonnel de Brush Wellman.

Un programme de formation du personnel fonctionne encontinu. Des investissements améliorent sans cesse l’outil deproduction et maintiennent la conscience de la nécessaireévolution des moyens de fabrication, ceci en collaborationavec les équipes commerciales, les distributeurs et les clients.

De plus :n Un programme SPC (Statistical Process Control) a été misen place pour définir les spécifications et capacités de pro-duction, éliminer les causes de discontinuité et fournir desinformations quantifiables pour l’amélioration et la stabilisa-tion des processus de fabrication.n Les services commerciaux et les services de contrôle dela qualité travaillent en étroite collaboration avec les clientspour comprendre et satisfaire aux spécifications particuliè-res.n Les certificats matières garantissent la conformité auxnormes.n Une traçabilité parfaite est maintenue tout au long duprocessus de fabrication.n Le système d’assurance de qualité est conforme aux exigencesdes normes MIL-I-45208, ISO 9001 et A2LA. Les usines d’Elmoreet de reading ont été certifiées ISO 9001.

Siège social et atelier2, rue Thalès - F-25410 Dannemarie-sur-Crête

Tél. (33) 03 81 48 57 40 - Fax (33) 03 81 48 57 52

Bureau commercial7-14, rue du Fossé Blanc - F-92230 Gennevilliers

Tél. (33) 01 41 11 20 60 - Fax (33) 01 47 33 59 52

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