Laiton

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Gabarits en laiton utilisés pour la fabrication de cloches

Les laitons sont des alliages composés essentiellement de cuivre et de zinc[1], aux proportions variables. Selon les propriétés visées ils peuvent contenir d'autres éléments d'additions comme le plomb, l'étain, le nickel, le chrome et le magnésium. Ce sont des alliages amagnétiques. La corrosion fait apparaître à la surface du laiton une couche appelée vert-de-gris.

Les laitons sont parfois improprement appelés cuivre jaune. Selon leurs compositions, ils peuvent être appelés : tombac, archal, bronze florentin (ou bronze vénitien), similor ou pinchbeck. Par exemple, le bronze florentin (ou bronze vénitien) est composé de 85 % de cuivre et 15 % de zinc.

En dehors des laitons, il existe d'autres familles d'alliages cuivreux dont les principales sont les cuproaluminiums, les cupronickels, les maillechorts (cuivre, nickel et zinc) et les bronzes qui sont des alliages de cuivre et d'étain.

Les laitons sont connus depuis la préhistoire et ont été développés et utilisés aussi bien en Afrique qu'en Chine ainsi que dans le bassin méditerranéen.

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Diagramme binaire cuivre-zinc

Les propriétés physiques de l'alliage dépendent fortement de sa composition. Par exemple pour un laiton contenant 90 % de cuivre et 10 % de zinc, la masse volumique est 8 800 kg·m−3, la conductivité thermique est environ 121 W·m−1·K−1, et la température de fusion est environ 900 °C.

Il existe trois catégories de laiton (chaque catégorie englobe les propriétés des précédentes) :

  • les laitons simples (binaires) : ils ne contiennent que du cuivre et du zinc. L'ajout de zinc abaisse la température du point de fusion de l'alliage ainsi que sa conductivité électrique, mais en augmente la dureté et la résistance mécanique ;
  • les laitons au plomb (environ 60 % de cuivre, 40 % de zinc, 1 à 3 % de plomb) : le plomb améliore l'usinabilité en se disséminant en fins globules qui permettent une meilleure fragmentation des copeaux ;
  • les laitons spéciaux : ils ont pour but d'augmenter les propriétés mécaniques par l'addition d'éléments d'alliage (étain, aluminium, arsenic, magnésium, nickel, fer, silicium…) ; le nickel est utilisé dans les pièces de monnaie ou pour le plaquage du laiton, en raison de sa résistance à l'oxydation et à la corrosion.

Son module de Young est compris entre 100 et 130 Gpa. Son coefficient de Poisson est de 0,37.

Masse volumique[modifier | modifier le code]

Voici une table de masse volumique du laiton simple en fonction de la teneur en cuivre et zinc.
Les proportions sont en masse.

La masse volumique du cuivre vaut 8920 kg/m3.

La masse volumique du zinc vaut 7140 kg/m3.

Masse volumique du laiton en kg/m3 (si on prend du laiton composé uniquement de ces deux matériaux)
 % de cuivre  % de zinc  \rho_{Laiton}

100

0

8920

95 5 8831
90 10 8742
85 15 8653
80 20 8564
70 30 8386
60 40 8208

La formule classique : \rho = \frac{100 ~[kg/m^3]}{\frac{x}{8920} + \frac{100-x}{7140}}   où x = le pourcentage en masse de cuivre n'est pas correcte, car l'arrangement des atomes de cuivre et de zinc change lors du mélange de ces deux métaux.

Une formule empirique donnant de bons résultats pour des proportions de cuivre allant jusqu'à 40 % est : \rho = \frac{100 ~[kg/m^3]}{\frac{x}{8920} + 0,9 \cdot \frac{100-x}{7140} + 10^{-7} \cdot (100-x)^2}   où x = le pourcentage en masse de cuivre.


Des formules empiriques donnent la masse volumique du laiton en fonction du la fraction massique du cuivre ou de la fraction massique du zinc, la fraction volumique du cuivre en fonction de la fraction massique du cuivre, la fraction volumique du zinc en fonction de la fraction massique du zinc, la fraction volumique du laiton en fonction de la fraction massique du cuivre ou du zinc.


La masse volumique du laiton (g/cm3) en fonction de la fraction massique du cuivre est donnée par :

\rho_{laiton} = 0,0178 \cdot x + 7,14~[g / cm^3]

avec x la fraction massique du Cuivre


La masse volumique du laiton (g/cm3) en fonction de la fraction massique du zinc est donnée par :

\rho_{laiton} = -0,0178 \cdot x + 8,92 ~[g / cm^3]

avec x la fraction massique du zinc


La fraction volumique du cuivre dans le laiton en fonction de la fraction massique du cuivre est donnée par :

\chi_{Cu} = 0.1996 \cdot x^2 + 0.8004 \cdot x -2 \cdot 10^{-15}~[sans~dimension]

avec x la fraction massique du cuivre


La fraction volumique du zinc dans le laiton en fonction de la fraction massique du zinc est donnée par :

\chi_{Zn} = -0.2493 \cdot x^2 + 1.2493 \cdot x -2 \cdot 10^{-15}~[sans~dimension]

avec x la fraction massique du zinc


La fraction volumique du laiton en fonction de la fraction massique du cuivre ou du zinc est donnée par :

\chi_{laiton} = -0,0497 \cdot x^2 + 0,0497 \cdot x + 1~[sans~dimension]

avec x la fraction massique du cuivre ou du zinc

Utilisation[modifier | modifier le code]

Le laiton est très facile à usiner mais relativement fragile. On l'utilise en Europe depuis le Moyen-Âge[1] pour de multiples usages : instruments de précision, pièces d'horlogerie, éléments décoratifs pour le mobilier, instruments de musique, objectifs photo de qualité, robinetterie, serrurerie, ustensiles décoratifs (dinanderie), etc. Il est également utilisé dans certaines pièces soumises à l'usure ou aux chocs (capot, semelle) des appareils photos.

Le laiton est le plus utilisé des alliages de cuivre. C'est l'un des principaux alliages utilisés par l'industrie du décolletage (fabrication de petites pièces tournées en très grandes séries).

Quelques exemples d'utilisations :

  • En papeterie, pour l'embossage des toiles en bronze qui serviront à former les filigranes dans le papier.
  • Dans la fabrication des douilles d'obus comme le ZUBM21 soviétique, ainsi que des douilles d'armes à feu.
  • En décoration, les laminés (plaques) de laiton sont utilisés pour la gravure et le guillochage. Vernis, ils deviennent par exemple les plaques sur les portes des médecins.
  • Certaines pièces de monnaie, principalement des monnaies de nécessité.
  • Comme base à la fabrication des alliages à mémoire de forme.
  • En confection d'outils à destination des mines et pour les robinetteries à gaz, car ce métal ne produit pas ou très peu d'étincelles.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b D. Bourgarit et N. Thomas, « Le laiton produit en masse au Moyen Âge », La Recherche, l'actualité des sciences, archéologie, no 468,‎ 1er octobre 2012, p. 62 (lire en ligne)

Annexes[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Jacques Toussaint (dir.), Art du laiton, dinanderie, Société archéologique de Namur, 2005, 392 p.

Liens externes[modifier | modifier le code]