Ductile, amagnétique et résistant à la corrosion ainsi qu’à l’usure… Telles sont les principales performances mécaniques de l’alliage Hardiall dévoilé par LeBronze Alloys en avant-première le 4 mars au Simodec. Composé de cuivre-nickel-étain (CuNi15Sn8), cet alliage spinodal s’affirme comme une sérieuse alternative au cuivre béryllium au plomb utilisé traditionnellement par les industriels. Sa mise en œuvre a imposé à l’entreprise marnaise de relever plusieurs défis techniques..
Avec ce nouvel alliage, LeBronze Alloys s’est attaqué à deux enjeux. Le premier consiste à répondre à une demande des clients français et européens qui utilisent l’un des alliages les plus performants dans l'industrie du cuivre, le cupro-béryllium. Ce mélange de cuivre et de béryllium (CuBe2Pb) « est majoritairement fabriqué aux États-Unis et au Japon, ce qui pose un réel problème d'autonomie d’approvisionnement en Europe, pointe Guillaume Leger, responsable produits chez LeBronze Alloys. Nous l’avons vécu durant la crise sanitaire où nos industriels ont été confrontés à des pénuries et des prix plus élevés. »
Le deuxième enjeu est d’ordre sanitaire et environnemental. Du fait de sa microstructure, le cupro-béryllium revêt d'excellentes propriétés mécaniques et de conductivité. Cependant, l'utilisation du béryllium est soumise à des restrictions en raison de son association avec une pathologie nommée bérylliose. « Il s'agit d'une maladie pulmonaire engendrée par l'inhalation de particules de poussière ou de vapeur de béryllium durant les processus de transformation, explique-t-il. De plus, cet alliage est renforcé au plomb pour en faciliter l'usinage, un élément toxique désormais banni par la directive Reach. »
L'alternative mise au point par l'entreprise se veut ainsi « locale et plus écologique ». Issu d’une décennie de recherche et développement, l’alliage spinodal Hardiall se destinait principalement à une utilisation pour des produits massifs. « Nous produisions des barres de taille centimétrique, ce qui restreignait son utilisation », souligne le responsable produits.
Des ségrégations métallurgiques dans l’alliage
Lebronze Alloys s'est confrontée à un défi lié à la haute teneur en étain de cet alliage, ce qui a compliqué le processus de transformation et le développement de produits de précision, plus petits et plus fins, de dimensions millimétriques. « La présence significative d'étain est à la fois bénéfique et problématique. Il renforce les propriétés mécaniques de l'alliage, améliorant ses performances en termes de frottement et de résistance à l’usure. Cependant, l'excès d'étain engendre des ségrégations métallurgiques qui viennent compromettre l'uniformité des propriétés mécaniques de l'alliage, rendant sa transformation extrêmement complexe », avance-t-il.
En effet, la ségrégation métallurgique d'un alliage se produit lors du processus de solidification. « Lorsque du métal fondu est coulé pour former un alliage, certaines parties peuvent se solidifier plus rapidement que d'autres. Cette solidification irrégulière entraîne une distribution inhomogène des éléments constitutifs de l'alliage, précise-t-il. Par conséquent, certains éléments ou impuretés peuvent se concentrer dans certaines parties de la structure cristalline, créant ainsi des zones enrichies en certains éléments et des zones appauvries en d'autres. » Ce phénomène engendre des zones de fragilité locales où des variations de dureté ou de résistance à la corrosion sont plus susceptibles de survenir.
Pour minimiser ce phénomène, les ingénieurs métallurgistes de l’entreprise ont mis en œuvre des technologies telles que les jumeaux numériques, permettant une simulation avancée de leurs procédés. « Cette approche nous a permis de revoir et d'optimiser chaque étape de fabrication, de la fusion initiale des matériaux jusqu’aux opérations de transformation à froid, afin de maîtriser pleinement les caractéristiques de cet alliage spinodal », résume Guillaume Leger.
Adaptation des procédés de fabrication
L'innovation ne réside pas tant dans la découverte de l'alliage en soi, une connaissance acquise par l’entreprise depuis quelques années, que dans le processus élaboré pour pour fabriquer un alliage apte à la fabrication de pièces de précision. Fusion, solidification et traitement thermique : les première étapes permettant d'obtenir l'alliage ont été particulièrement affinées pour éviter les ségrégations métallurgiques.
« D'un point de vue macroscopique, la chimie de l’alliage demeure inchangée, souligne-t-il. Toutefois, à l'échelle microscopique, le recours à des procédés appropriés nous permet de modeler une structure cristalline de l’alliage propice à la déformation, facilitant ainsi sa transformation. »
Intervient en dernier lieu un traitement thermique final pour contrôler la décomposition spinodale, visant à obtenir les propriétés désirées. « Ce phénomène thermodynamique se caractérise par une séparation des phases, conduisant à la formation de régions riches et appauvries en certains éléments à l'intérieur de l'alliage. Ces régions peuvent ensuite évoluer pour former des phases distinctes avec des compositions chimiques différentes, ce qui influe sur les propriétés mécaniques, notamment sur la dureté, la ductilité et la résistance à la corrosion de l’alliage », explique-t-il .Ensuite, des étapes de transformation à froid, telles que le laminage ou le tréfilage, sont entreprises pour fabriquer les produits selon les exigences spécifiques des clients.
Par ailleurs, la phase de fusion privilégie les matériaux recyclés « tels que des chutes de cupronickel ou de bronze, qui représentent jusqu'à 80 % de la composition finale de l'alliage. Nous complétons ensuite avec du nickel ou de l'étain pour parfaire sa composition », expose-t-il.
Des performances similaires au cuivre béryllium
Les propriétés mécaniques promises par Hardiall seraient similaires au cuivre béryllium. Dans son état écroui et durci par décomposition spinodale, cet alliage présente une dureté d'environ 400 Vickers et une résistance mécanique d'environ 1400 mégapascals. Cependant, il existe également des états intermédiaires, par exemple, un état semi-dur où l'alliage n'est pas totalement écroui, ou encore l'état précédant la décomposition spinodale, où il est moins résistant mais plus malléable, offrant une meilleure capacité de déformation.
Ces alliages cupro-nickel-étain traités thermiquement par décomposition spinodale sont utilisés par l’entreprise pour produire des composants de précision, tels que des barres d'un millimètre, des feuillards métalliques de fine épaisseur, voire des produits plats de précision, mesurant 0,5 mm ou moins, destinés à des secteurs de pointe tels que l'électronique, la connectique et l'horlogerie. L’entreprise propose également des bagues et roulements à friction à destination des secteurs de l’aéronautique notamment pour les trains d’atterrissage.
Améliorer l’usinabilité d’un alliage sans plomb
Un autre avantage notable de l'alliage Hardiall réside dans sa capacité à fournir un matériau exempt de plomb, usinable dans des conditions optimales, et favorisant, dans son état durci, une bonne coupe de copeaux. « C'est là un défi auquel les industriels sont confrontés, signale-t-il. L'absence de plomb peut en effet entraîner une augmentation de la dureté ou de la fragilité des matériaux, ainsi que des propriétés de coupe différentes. Par exemple, ces derniers peuvent présenter une propension accrue à l'adhésion des copeaux à l'outil de coupe, ce qui provoque une usure prématurée de l'outil et des problèmes de finition de surface. »
Cependant, certaines applications demeurent plus exigeantes en termes de précision, notamment le perçage sans bavure, où l’alliage Hardiall ne parvient pas encore à rivaliser avec le cuivre-béryllium au plomb.
Des améliorations de l'alliage sont donc envisagées afin de répondre aux diverses applications en mécanique de précision et en décolletage de matériaux sans plomb. « Nous accompagnons déjà nos clients dans l'utilisation de nos matériaux sans plomb en leur apportant des conseils sur les outils adaptés à leur usinage, et nous poursuivons le développement de notre gamme afin de proposer sur le marché des alternatives plus durables aux différents alliages au plomb », glisse Guillaume Leger.
