Cupronickel

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Le cupronickel ou cupro-nickel est un alliage à base de cuivre, majoritaire, et de nickel, grosso modo entre 10 % à 30 % en masse, et en plus faible proportions le fer et des éléments dits "renforçateurs" de résistance mécanique", comme le manganèse, le silicium..., parfois aussi du zinc, de l'étain et de l'aluminium. La gamme des cupronickels, incontournable par sa plus grande résistance à la corrosion que la plupart des autres alliages de cuivre ou encore sa résistance à l'usure, à l'eau de mer ou aux milieux salins, représente un important débouché technique.

Composition[modifier | modifier le code]

Les cupro-nickels commercialisés sont essentiellement des alliages à base de 73 % à 85 % de Cu, de 14 % à 26 % de Ni, contenant souvent environ 0,3 % de Fe et 0,3 % de Mn, avec éventuellement des quantités faibles du Zn et Sn.

Il existe des cupronickels calibrés par la norme du pourcentage de nickel, soient des cupro-nickels ou CuNi 10, 20 , 25, 30...

Les noms commerciaux anciens, rappelant son apparence argentée au-delà d'un taux de nickel suffisant d'un cinquième ou d'un quart, sont "alpacca", "argentan", "argent des hôtels", "argent des Chinois", "cuivre blanc", "minargent", "plata alemana" en espagnol, équivalent de l'"argent des Allemands" ou du "german silver" anglo-saxon...

Il existe des codes internationaux ou stantard ASTM, EN, ISO pour classer les matériaux forgés ou fondus à base de cupronickels[1]. Par exemple,

Composition des cupronickels forgés selon le standart USN* (en % masse)[2].
Alloy UNS No. Nom commun Dénomination européenne Ni Fe Mn Cu
C70600 90–10 CuNi10Fe 9–11 1–1.8 1 Reste jusqu'à 100 %
C71500 70–30 CuNi30Fe 29–33 0.4–1.0 1 Reste
C71640 66–30–2–2 29–32 1.7–2.3 1.5–2.5 Reste

Propriétés[modifier | modifier le code]

Pièce de 5 francs suisses en cupronickel contenant 25 % de nickel

Le cuivre allié au nickel, surtout au-delà de 15 % en masse, prend un bel aspect ou éclat de surface argenté[3],[4].

Bien que le nickel soit ferromagnétique les pièces de monnaie en cupronickel ne sont pas soulevées par un aimant ordinaire.

Cet alliage possède aussi une excellente ductilité après recuit, une bonne conductibilité thermique ainsi que de bonnes caractéristiques mécaniques comme la résistance à la traction et une dilatation thermique adapté à la réalisation d'échangeurs de chaleur et de condenseurs performants. Il est facile à mettre en œuvre et à usiner. L'ensemble de ses propriétés, en particulier sa bonne ductilité et sa conductivité thermique à basse température, lui ouvre des applications en techniques cryogéniques.

Propriétés de quelques cupro-nickels[5]
Alliage Masse volumique
g/cm3
Conductivité thermique
W/(m·K)
Dilatation thermique
µm/(m·K)
Résistivité
µOhm·cm
Module élastique
GPa
Limite d'élasticité
MPa
Résistance à la traction
MPa
90–10 8.9 40 17 19 135 105 275
70–30 8.95 29 16 34 152 125 360
66–30–2–2 8.86 25 15.5 50 156 170 435

Il est reconnu pour son excellente résistance à l'usure ainsi que ses propriétés anti-corrosives et d'antifouling. Sa résistance chimique n'est pas négligeable, en particulier à la corrosion à l'eau de mer et aux diverses saumures. Son potentiel d'électrode est adapté aux eaux marines. Il résiste bien à l'encrassement biologique et se nettoie bien, du fait des propriétés anti-microbiennes du principal composant, le cuivre.

Usages[modifier | modifier le code]

Les cupronickels peuvent être employés pour fabriquer des objets utilitaires, résistants, stables et à bel aspect, par exemple dans l'industrie d'armement, les industries électriques, chimiques et pétrochimiques... ainsi que des objets d'ornementation. Mais il s'agit surtout d'un alliage commun de frappe monétaire, utilisé en conséquence pour la fabrication de nombreuses pièces de monnaie. Il est présent dans les pièces de monnaie de la Confédération suisse.

Pièce commémorative des vingt années de l'ancien Allemagne de l'Est ou DDR, teneur 10 % nickel

Les pièces de 1 euro sont constituées d'un centre « blanc » en cupronickel (Cu 75 % – Ni 25 %) sur âme de nickel et d'une couronne « jaune » en maillechort du type Cu 75 % – Zn 20 % – Ni 5 %. A l'inverse, les pièces de 2 euros ont une couronne est en CuNi25 et un noyau en maillechort[6].

Cet alliage est encore souvent utilisé dans les milieux marins, en génie maritime et dans les unités de désalinisation. On le retrouve dans les conduits et tuyauteries, les condenseurs et échangeurs de chaleur utilisant l'eau de mer, mais aussi les équipements embarqués sur les bateaux, les hélices, les villebrequins, les coques des navires performants comme les remorqueurs, les navires de pêches et autres vaisseaux de haute mer.

Histoire[modifier | modifier le code]

Les pièces en cupro-nickel, plus pratiques, ont remplacé la monnaie ancienne en argent ou en cuivre, encore usité il y a plus d'un siècle.

10 francs Victor Hugo en cupronickel aluminium

Les alliages en cupro-nickel, obtenus de manière indirecte à partir un choix de minerais contrôlé et de cuivre, ne sont pas inconnu en Chine au IIIe siècle avant J.-C. Quelques armes forgées à l'époque des royaumes combattants ont été mises au jour lors de fouilles archéologiques.

Ancien monnayage hellénistique de Bactriane[modifier | modifier le code]

Leurs provenances de Bactriane antique est une première hypothèse lancée par l'archéo-historien Flight en 1868[7]. Flight observe que le plus ancien monnayage en cupro-nickel est similaire au paktong de l'Empire du Milieu. [7]. Il est rejoint par le professeur Cunningham en 1873 qui, avec sa "Bactrian nickel theory," suggèrent que la matière monétaire, les pièces, est l'objet d'un commerce international de Chine à la Grèce en passant par l'Inde[8]. Les découvertes monétaires concernent des pièces cuivrées à 20% nickel[9]. Leurs datations sont estimées entre - 180 et -170 avant notre ère, les plus récentes avec le buste de Euthydemos II sur l'avers, alors que les frappes les plus tardives portent les marques de ces jeunes frères Pantaleon et Agathocles.

En 1973, le débat rebondit. Les chercheurs associés Cheng et Schwitter affirment que l'ensemble des alliages connus de Bactriane, à base de cuivre, plomb, fer, nickel et cobalt, sont réellement très comparables au paktong chinois, et sur les neuf dépôts de nickel asiatiques connu dans l'Antiquité, seuls les centres chinois correspondraient à la bonne composition chimique.[7] Cammann critique l'article de Cheng and Schwitter, arguant que le déclin de l'usage du monnayage en cupro-nickel ne devrait pas coïncidé avec l'ouverture de la route de la Soie. Si la théorie était correcte, selon Cammann, la route de la Soie aurait sensiblement augmenter partout l'approvisionnement et la diffusion du cupronickel. Cependant, la disparition de la monnaie en cupronickel de Bactriane pourrait aussi à d'autres facteurs tels que la fin de la dynastie des Euthydèmes.[7]

Le débat concernant le transport de matière pondéreuse semble vain en absence de réseaux efficaces de batelleries. Mais les échanges techniques et la formation d'étrangers auprès de maîtres métallurgistes prestigieux pourraient expliquer des similitudes techniques sur de vastes distances.

Civilisation technique chinoise[modifier | modifier le code]

Le savant écrivain chinois Ho Wei a décrit le procédé technique employé pour fabriquer l'alliage "paktong" en 1095. De petits morceaux d'un minerai typique du Yunnan étaient jeté dans un bain de cuivre fondu. Une couche de scories moins solubles se formaient, alors du salpêtre, nitre naturel ou nitrate de potassium, était ajouté, et immédiatement le mélange remué et brassé correctement, juste avant de couler les lingots. Le zinc aurait pu être employé comme fondant, mais il n'existe pas de preuves.

L'ancienne littérature chinoise est avare de renseignements techniques concrets, d'autant plus qu'elle cède aux élucubrations alchimistes de transmutation et de magie noire. Il faut attendre la période moderne et l'influence occidentale pour que ces alliages pakfong ou pai thong, soient mentionnés trivialement dans le Thien Kung Khai Wu vers 1637. « Quand le carbonate de zinc ou calamine nommée lu kan shih ou à défaut du métal zinc ou wo chhein est mélangé et fondu au cuivre ou chih thung, on obtient du laiton ou bronze jaune. Lorsque le phi shang et autres matières (nickelées et arsenicales) sont chauffés avec le cuivre ou le laiton, on obtient le cuivre blanc ou bronze blanc ou pai thong. Si on ajoute et mélange encore de l'alun ou du nitre, voire d'autres produits, on obtient du bronze vert ou ching thung. »[7]

Europe à l'époque moderne[modifier | modifier le code]

Ces alliages ne sont pas inconnus par la tradition alchimique et même la chimie technique.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Copper-Nickel Standards [1]
  2. Valeur maximum ou domaine recommandé. Ces valeurs peuvent différer selon d'autres normes.
  3. Flake C. Campbell, Elements of metallurgy and engineering alloys, ASM International, , 656 p. (ISBN 9781615030583, [%5B%5B:Modèle:Google%20Buch%5D%5D lire en ligne])
  4. Observer la teinte jaune et cuivrée de la pièce DDR attestant la faible teneur en Ni par rapport à la monnaie helvétique, à 25 % de Ni, à couleur argentée.
  5. Physical Properties of Copper-Nickel
  6. Monnaie de Paris.
  7. a, b, c, d et e Joseph Needham, Ling Wang, Gwei-Djen Lu, Tsuen-hsuin Tsien, Dieter Kuhn, Peter J Golas, Science and civilisation in China: Cambridge University Press: 1974, ISBN 0-521-08571-3, pp. 237–250
  8. Les élèves de Cunningham tels que W. W. Tarn, Sir John Marshall, et J. Newton Friend développent ensuite cette théorie, malgré les critiques de E. R. Caley and S. van R. Cammann.
  9. Ses analyses ont été depuis confirmées par les méticuleuses méthodes analytiques en milieu humide ainsi que les rapides mesures de spectrométrie de fluorescence X

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]