Point de fusion du cuivre – Une étude complète pour les métallurgistes

🇫🇷Compréhension du point de fusion du cuivre est critique avant de choisir ce métal pour toute application. Cela vous aide à connaître les limites dans lesquelles le métal de cuivre ne perdra pas son intégrité ou ne se transformera pas en état liquide.

Dans ce guide, nous explorerons tous les faits fondamentaux sur le point de fusion du métal de cuivre. De ce qu’il est, les facteurs affectant le point de fusion, et d’autres caractéristiques de chaleur ou de température.

Plongeons directement :

Quel est le Point de Fusion du Cuivre?

Le point de fusion du cuivre, également appelé température de fusion du cuivre, est un point d’équilibre où ce métal existe virtuellement en deux phases (phase liquide et solide).

C’est-à-dire, c’est une température au-delà de laquelle le métal de cuivre passe de la phase solide à la phase liquide. Bien sûr, pendant cette transition, il y a de nombreux changements structuraux et chimiques dans le matériau de cuivre.

Maintenant, chaque fois que vous analysez la température à laquelle le cuivre fond, il est critique d’être spécifique. Rappelez-vous, nous avons du cuivre pur et des alliages de cuivre.

Encore une fois, l’unité de mesure est également un aspect critique.

Pourquoi Connaître les Points de Fusion du Cuivre

Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles savoir quand le cuivre fond est critique:

• Aide les techniciens en fabrication de cuivre à déterminer si le matériau est adapté à leur projet ou non.
• Réduit les chances de défaillance structurale du cuivre en raison d’une température élevée dépassant le point de fusion
• La connaissance aides dans le choix du bon four et de la source d’énergie pour la fabrication et le traitement thermique du cuivre

Rappelez-vous, dans la plupart des applications structurales, des défaillances telles que le fluage commenceront à se produire lorsque le cuivre approche du point de fusion. Par conséquent, connaître la température de fusion du cuivre vous aidera à faire fonctionner la structure dans des températures sûres.

Point de Fusion du Cuivre Pur

Idéalement, cela fait référence au cuivre sans aucun additif ou élément ajouté. Idéalement, le cuivre pur commence à fondre à:

Idéalement, nous définissons le point de fusion des métaux en fonction de la température. N’oubliez pas, faire fondre le cuivre nécessite de la chaleur, qui est essentiellement basée sur le niveau de température.

Bien qu’il puisse exister de nombreuses formes dans lesquelles le cuivre existe telles que des nanoparticules, des maillages, de la feuille, de la poudre, des tubes, des barres, du fil, ou des feuilles, la fusion reste dans la plage ci-dessus.

Parfois, vous pouvez trouver la température de fusion du cuivre définie dans d’autres unités de mesure telles que Rankine, électrons-volts, joules par mole, ou BTUs par livre. Eh bien, tous ceux-ci sont dérivés des unités de température ci-dessus.

Point de Fusion des Alliages de Cuivre

Pour la plupart des applications d’ingénierie, les alliages de cuivre ont des propriétés supérieures. Une raison pour laquelle nous utilisons rarement le cuivre sous sa forme pure.

Maintenant, chaque élément – qu’il s’agisse d’un non-métal ou d’un métal a des points de fusion uniques. Ce que cela implique est:

Chaque fois que vous ajoutez n’importe quel élément au cuivre pur, attendez-vous à ce que la température de fusion change. Généralement, le point de fusion sera le reflet de la composition globale de l’alliage. Cependant, la combinaison d’éléments que vous pouvez ajouter au cuivre est illimitée.

Pour le champ d’application de ce guide, nous nous concentrerons sur le point de fusion des alliages de cuivre couramment utilisés dans les applications d’ingénierie.

Simplifions ces points de fusion des métaux dans le tableau ci-dessous:

Maintenant, vous pouvez comparer les valeurs ci-dessus avec la température à laquelle le cuivre fond – 1 085°C. Vous pouvez observer la variation de la température de fusion des alliages de cuivre.

Pression atmosphérique versus température de fusion du cuivre

Parfois, vous vous demandez pourquoi le point de fusion du cuivre pur ou de ses alliages peut fluctuer. Eh bien, c’est dû à certains facteurs environnementaux tels que la pression atmosphérique.

Dans la plupart des cas, le point de fusion des métaux augmente avec une augmentation de la pression. Il en va de même pour la température de fusion du cuivre.

Par conséquent, le point de fusion du cuivre variera en fonction des conditions environnementales. Généralement, lors du traitement du cuivre, vous pouvez choisir certaines conditions spéciales. Cela contribuera à économiser sur le coût élevé de l’énergie nécessaire pour fondre le cuivre.

Examinons quelques scénarios pratiques et leur effet sur la plage de température de fusion du cuivre :

• Pression ambiante – le point de fusion du cuivre pur est de 1 085°C. Cependant, le point de fusion du Cu diminuera lorsque vous monterez en altitude, comme au sommet d’une montagne.
• Haute pression – il faut plus de chaleur pour faire fondre le cuivre, d’où un point de fusion plus élevé que dans l’air ambiant.

Par conséquent, lors de l’évaluation du point de fusion du cuivre, vous devez tenir compte de l’environnement.

Impureté dans le cuivre

En général, les impuretés abaissent le point de fusion des métaux, donc la température de fusion du cuivre n’est pas une exception. D’autre part, ces mêmes impuretés sont susceptibles d’augmenter le point d’ébullition du cuivre.

Raison – les impuretés ont tendance à stabiliser la phase liquide du cuivre.

Autrement dit, le point de fusion du cuivre impur est relativement bas. N’oubliez pas que les éléments d’alliage peuvent faire partie des “impuretés”. Ainsi, vous pouvez ajouter un élément d’alliage pour améliorer les propriétés souhaitables du cuivre tout en abaissant le point de fusion. Cela peut permettre d’économiser sur les coûts de fabrication du cuivre, notamment sur les dépenses énergétiques.

Vous pouvez utiliser différentes techniques de mesure telles que la spectroscopie, les rayons X, l’analyse ICP, l’analyse EDX et les tests de conductivité pour vérifier la pureté du cuivre.

Taille du grain de cuivre

La taille et la structure des grains affectent la température de fusion du cuivre. Les structures de grains varient en fonction de l’alliage, ce qui affecte à son tour le point d’ébullition et de fusion du cuivre.

Par exemple, en comparant la température de fusion du laiton et du cuivre, il y a une variation due à la structure de grain. Idéalement, l’ajout de tout élément au cuivre affectera finalement la structure de grain. L’effet net sera un changement dans la température de fusion de l’alliage de cuivre.

Pour approfondir ce sujet, examinons certaines de ces variables qui affectent à quelle température les alliages de cuivre fondent.

Relation de Hall-Petch

Aussi appelée renforcement des joints de grains, décrit comment vous pouvez modifier la résistance des métaux en changeant la taille des grains ou la structure cristalline. Autrement dit, les métaux ayant de petites structures cristallines de grains sont plus forts et plus durs. En même temps, de petits grains impliquent que le métal aura un bas point de fusion.

En comparant le mercure et le cuivre par rapport au plomb et au cuivre, ce dernier a un bas point de fusion. Cela est dû à la petite taille des grains de plomb.

Le point de fusion de l’alliage de nickel-cuivre est plus élevé (1 455 °C) que celui du cuivre pur (1 085 °C). Cela est principalement dû à la grande taille des grains de nickel.

Énergie de la limite de grains

Un point où deux grains se rencontrent est appelé une limite de grain dans la structure métallique du cuivre. De petits grains impliquent une faible limite de grain à l’intérieur de la structure du cuivre. Par conséquent, la température de fusion de l’alliage de cuivre sera basse.

Cela signifie qu’une grande structure de grains se traduira par une température de fusion plus élevée de l’alliage de cuivre. Par exemple, le point de fusion du cuivre étamé est d’environ 1900 °F, ce qui montre un changement dans la structure de grains.

Hétérogénéité microstructurale

Le matériau de cuivre final peut avoir différentes structures ou sections transversales. Cela conduit à des variations différentes lors de la fusion du cuivre. Idéalement, les petits grains de cuivre fondent plus rapidement que les grains plus gros, comme nous l’avions mentionné précédemment.

De plus, la composition structurelle joue également un rôle important ici. Par exemple :

• Le point de fusion d’un fil de cuivre peut varier entre 1 085 °C et 1 215 °C. Cela dépend de la qualité du fil de cuivre et de sa forme.
• Le point de fusion d’un tube en cuivre peut commencer à partir de 1 085°C jusqu’à une température légèrement plus élevée en fonction de la taille et de la section transversale du tube.

Densité de dislocation

Une fois que vous comprenez la densité de dislocation du composé de cuivre, vous pouvez contrôler le point de fusion. Généralement, une faible densité de dislocation implique un point de fusion plus élevé.

Taux de diffusion

Les très petites particules de cuivre ont tendance à chauffer plus rapidement que les grandes particules de cuivre. Cela est assez évident lors de l’examen du point de fusion des fils de cuivre.

Le processus de fabrication peut modifier les tailles des granules de cuivre. Ce qui fera fondre essentiellement le cuivre avec de petits grains plus rapidement.

Énergie de surface

Chaque fois que l’énergie de surface change, attendez-vous à ce que le point de fusion du cuivre change. Rappelez-vous, le cuivre fondra une fois que l’énergie thermique fournie aura rompu l’énergie de surface.

Concentration de contraintes

Soumettre du cuivre à une forte contrainte abaissera le point de fusion. C’est parce que la contrainte perturbe l’arrangement normal des atomes de cuivre dans sa structure. N’oubliez pas que soumettre du cuivre à une contrainte peut entraîner une déformation plastique.

En plus de cela, il existe certains processus post-fabrication tels que le durcissement et la recristallisation. Ces processus peuvent également modifier le point de fusion du cuivre. Ils peuvent aligner, compacter ou durcir le cuivre pour obtenir de meilleures caractéristiques de résistance à la température.

Surface contre point de fusion du cuivre

Il existe des études et des recherches qui mettent en lumière l’effet significatif de la surface sur le point de fusion du cuivre. N’oubliez pas que certains traitements thermiques du cuivre ou de ses alliages peuvent affecter les atomes à la surface.

Par conséquent, la température à laquelle le cuivre fond après de tels traitements peut présenter de larges variations.

En résumé, le traitement de surface, l’atome ou la structure des particules déterminent la température de fusion du cuivre et de ses alliages.

Méthodes pour faire fondre du cuivre

Vous pouvez utiliser différentes techniques pour faire fondre du cuivre. Peu importe que vous utilisiez des tiges de soudage en cuivre, des feuilles ou des barres de cuivre, vous avez besoin d’une technique fiable. Un processus qui fera passer le cuivre pur ou l’alliage de cuivre de l’état solide à l’état liquide.

• Fusion à l’arc du cuivre – Cela nécessite un courant électrique élevé en raison du point de fusion et d’ébullition élevé du cuivre. Avec un courant suffisant, vous pouvez obtenir une conversion du cuivre à 100%.
• Chauffage par induction – Avec l’aide d’oscillateurs, d’électroaimants et de courant alternatif haute fréquence, il est possible de chauffer et de fondre efficacement le cuivre.
• Chauffage par résistance électrique – Il s’agit d’une technique de chauffage courante pour la plupart des alliages de cuivre comme le laiton. Lorsque le courant électrique traverse l’alliage de cuivre, il chauffe, commençant ainsi à fondre.
• Fusion au laser – Un laser haute puissance fait fondre le cuivre jusqu’à la phase souhaitée.
• Fusion par faisceau d’électrons – La technique utilise un faisceau d’électrons à haute énergie pour fondre le métal de cuivre. Ceux-ci sont suffisamment puissants pour élever la température du cuivre au-delà du point de fusion.
• Chalumeau oxy-acétylénique – Un mélange de propane et d’oxygène se mélange pour chauffer le cuivre au-delà de sa température de fusion.
• Chauffage de cuivre par four – Vous pouvez utiliser de nombreux types de fours pour chauffer le cuivre jusqu’au point de fusion. Il peut s’agir d’un four à coupole, à gaz ou à induction.
• Fusion par micro-ondes – Il existe de nombreux types de fours à micro-ondes disponibles qui chauffent efficacement le cuivre jusqu’au point de fusion.
• Fusion en bain de sel – Avec l’aide de sels de cyanure et de chlorure, le système répartit uniformément la chaleur autour du cuivre pour le processus de fusion. Cette technique fonctionne bien avec le traitement du sulfate de cuivre anhydre.
• Chauffage par infrarouge – Tout en minimisant l’oxydation, les chauffages infrarouges chauffent le cuivre jusqu’à son point de fusion.
• Chauffage électrique direct – Le courant traverse le cuivre, générant ainsi de la chaleur pour fondre le cuivre. Jusqu’à présent, il s’agit d’une technique pratique pour la plupart des alliages de cuivre. La méthode est rapide et efficace.
• Fusion sous vide – Avec l’aide d’une chambre à vide, vous ferez fondre le cuivre sans aucune possibilité de contamination. Vous pouvez atteindre des températures élevées pour faire fondre le cuivre facilement.
• Fusion par arc plasma – Avec l’arc plasma, vous pouvez fondre rapidement et efficacement le cuivre. Cela fonctionne bien avec la plupart des alliages de cuivre.
• Coulée sous vide – Le processus utilise une forte chaleur pour fondre le cuivre. C’est un processus courant lors de la production de pièces de cuivre complexes.
• Pressage isostatique à chaud – Il combine à la fois une haute pression et une haute température pour fondre le matériau de cuivre.
• Fusion par creuset froid – Avec l’aide d’un creuset refroidi à l’eau, le processus utilise l’induction électromagnétique pour fondre le métal de cuivre.
• Fusion par four solaire – Le processus dépend de l’énergie solaire pour chauffer le cuivre. C’est l’une des technologies énergétiques durables dans le processus de fusion du cuivre.

Comme vous pouvez le constater, il existe de nombreuses technologies que vous pouvez utiliser pour faire fondre le métal de cuivre. Cela dépend de la pureté, de l’efficacité, de la fiabilité et de la disponibilité de la source d’énergie.

Comparaison des points de fusion d’autres métaux et du cuivre

En raison des différentes structures atomiques, les points de fusion des métaux varient largement. Dans cette section, nous examinerons le point de fusion des métaux communs dans l’industrie tout en les comparant au cuivre :

Comme vous pouvez le voir, le cuivre fond à des températures relativement élevées. Cependant, le tungstène reste un métal avec le point de fusion le plus élevé.

Comment faire fondre du cuivre

Étant donné que nous avons abordé les aspects critiques ci-dessus, cette section sera un bref résumé :

• Étape 1: Choisissez des outils et équipements – adoptez une technique de fusion de cuivre rentable.
• Étape 2: Préparez le matériau de cuivre que vous souhaitez fondre. Vous pouvez le nettoyer et le couper en petits morceaux.
• Étape 3: Assurez-vous de porter un équipement de protection individuelle et que la ventilation soit suffisante.
• Étape 4: Placez le matériau de cuivre dans l’équipement de fusion (four). Chauffez pour atteindre la température de fusion du cuivre requise.
• Étape 5: Versez le cuivre fondu dans les formes que vous souhaitez réaliser ou en lingots.

Comment le point de fusion du cuivre détermine l’application pratique

À mesure que le cuivre fond, il y a des changements drastiques dans les propriétés mécaniques, physiques et peut-être chimiques. À ce stade, le cuivre et les alliages de cuivre ne peuvent qu’entraîner une défaillance des composants.

Cependant, connaître la température à laquelle le cuivre fondra déterminera les applications pratiques. Prenons-en quelques-unes :

Applications de soudage, brasage et soudobrasage

De nombreuses baguettes de brasage en cuivre sont utilisées dans plusieurs applications aujourd’hui. Bien sûr, cela est possible en connaissant les propriétés thermiques du cuivre. Lors du soudage, le cuivre fond ainsi aidant au processus de jointoiement.

Applications électriques

Le cuivre est connu comme l’un des meilleurs conducteurs. Il existe de nombreux fils électriques, pièces de transformateurs, systèmes d’échangeurs de chaleur, systèmes de chauffage, systèmes de générateurs, dissipateurs de chaleur, etc. fabriqués à partir de matériaux en cuivre.

Tous ces designs sont basés sur une compréhension exhaustive de la température et des propriétés thermiques du matériau en cuivre.

Applications de moulage et de fonderie

Grâce à la coulée du cuivre, vous pouvez réaliser de nombreuses sculptures, raccords de plomberie, bijoux et pièces automobiles, entre autres pièces.

Lors des opérations de moulage, la connaissance de la température de fusion du cuivre vous aidera à choisir le bon four et les systèmes d’outillage. Il est même crucial lors du choix du matériau pour l’équipement d’outillage car il doit supporter le matériau de cuivre chaud.

De plus, cela vous aidera à déterminer l’énergie nécessaire pour fabriquer du cuivre. Cela constitue un élément vital lors de l’établissement de devis. Cela donne également au fabricant la possibilité d’analyser certaines variables telles que la densité du cuivre au point de fusion.

Conclusion

En moyenne, le point de fusion du cuivre est de 1 085°C. Cependant, cette température peut varier en fonction du type d’alliage de cuivre et d’autres variables telles que la structure cristalline ou les impuretés.

De plus, la connaissance vous aidera à déterminer si le cuivre est le meilleur matériau pour votre application ou non.

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Plus de ressources:

Points de fusion des métaux – Source : Online Metals

Point de fusion des alliages métalliques – Source : Engineering Toolbox

Le point de fusion des métaux – Source : Metal Supermarket