Cuivre : définition et propriétés

Ce qu'est le cuivre, et les propriétés qui expliquent ses usages

Le cuivre, élément chimique de symbole Cu, est un métal de transition dont le numéro atomique vaut 29. Sa couleur rouge-orangé en fait, avec l'or, l'un des deux seuls métaux courants qui ne soient pas gris. Cette teinte tient à sa structure électronique, qui absorbe la partie bleue du spectre visible au lieu de tout réfléchir.

Ses propriétés physiques commandent la totalité de ses emplois industriels. Sa conductivité électrique atteint 59,6 millions de siemens par mètre à 20 degrés Celsius, soit 100 % sur l'échelle de référence internationale, et seul l'argent fait mieux d'environ 6 %. L'aluminium plafonne à 61 % de cette valeur, ce qui l'oblige à des sections nettement plus grosses à courant égal. Sa conductivité thermique, de 400 watts par mètre et par kelvin, le place également juste derrière l'argent et près de 20 fois au-dessus de l'acier inoxydable.

D'autres caractères expliquent sa présence partout, au-delà de ces éléments de performance. Sa ductilité, exceptionnelle, permet de l'étirer en fils de quelques dizaines de micromètres sans rupture. Sa tenue à la corrosion, ensuite, assurée par une couche d'oxyde adhérente qui évolue en patine verte de carbonate basique après plusieurs décennies d'exposition, sans jamais s'écailler comme la rouille du fer. Son activité biocide enfin, propriété que peu de métaux partagent et qui lui vaut d'équiper les réseaux d'eau sanitaire et les surfaces de contact en milieu hospitalier. Le détail de ces propriétés figure dans propriétés du cuivre et de ses alliages, et son comportement de conducteur dans conducteurs métalliques, présentation générale.

Du minerai au métal, les procédés d'élaboration

Les gisements exploités titrent le plus souvent moins de 1 %, ce qui impose une chaîne de concentration avant toute opération métallurgique. Le minerai broyé passe en flottation, où les particules sulfurées se fixent sur des bulles d'air et remontent en surface, opération qui porte la teneur à 25 ou 30 %.

Deux voies se partagent ensuite la production mondiale, et le choix dépend de la nature du minerai.

• La pyrométallurgie, réservée aux minerais sulfurés, qui représente la grande majorité du tonnage. Le concentré est fondu en four, converti par insufflation d'air pour éliminer le soufre et le fer, puis affiné. Le procédé est exposé dans pyrométallurgie et électroraffinage du cuivre.
• L'hydrométallurgie, adaptée aux minerais oxydés et aux teneurs faibles, qui dissout le métal par une solution acide percolée à travers le tas, avant extraction par solvant et récupération électrolytique. Une variante en cours de développement emploie des mousses pour limiter la consommation d'eau, présentée dans mousses lixiviantes, réduire l'impact de l'extraction des métaux.

Les deux chemins convergent vers l'électroraffinage. Une anode de cuivre brut se dissout dans un bain de sulfate, et le métal se dépose sur une cathode avec une pureté de 99,99 %. Les impuretés les plus nobles, or, argent et platinoïdes, tombent au fond de la cuve sous forme de boues anodiques dont la valorisation couvre parfois une part significative du coût de l'opération. La vue d'ensemble de la filière figure dans cuivre, ressources, procédés et produits.

Le recyclage occupe ici une place que peu de matériaux atteignent, autour de la moitié de l'approvisionnement européen. Le métal se refond sans perdre ses propriétés, indéfiniment, et l'opération consomme environ 85 % d'énergie de moins que la voie minière. Le bilan et les limites de cette boucle sont traités dans recyclage du cuivre et environnement.

Les alliages de cuivre et leur mise en forme

Le métal pur reste trop mou pour la plupart des pièces mécaniques, et l'alliage de cuivre comble ce manque en gagnant en dureté ce qu'il perd en conductivité. Les grandes familles se distinguent par l'élément d'addition principal.

• Le laiton, avec le zinc, plus dur, facile à usiner et à emboutir, employé en robinetterie, en visserie et en instruments.
• Le bronze, avec l'étain, résistant à l'usure et au frottement, destiné aux coussinets, aux engrenages et aux pièces de fonderie.
• Le cupronickel, avec le nickel, très résistant à la corrosion marine, utilisé pour les condenseurs et les circuits d'eau de mer.
• Le cuivre-béryllium, qui atteint des résistances mécaniques proches de celles d'un acier tout en restant amagnétique et non étincelant, réservé aux outils de sécurité et aux ressorts de contact.

La fabrication des pièces suit ensuite la voie de la fonderie ou celle de la déformation. Le moulage des alliages est traité dans fonderie et moulage des alliages de cuivre, et la mise en forme la plus exigeante, celle des fils fins destinés à l'électronique, dans tréfilage des fils cuivreux ultra-fins. La déformation à froid écrouit le métal et le durcit, effet que l'on annule par un recuit dont les paramètres sont donnés dans traitements thermiques du cuivre et de ses alliages.

Le soudage demande une attention particulière que le métal impose par sa conductivité même. La chaleur s'échappe si vite du bain de fusion qu'un préchauffage devient nécessaire au-delà de quelques millimètres d'épaisseur, faute de quoi l'énergie de l'arc se dissipe sans faire fondre les bords. Les règles applicables aux principaux alliages figurent dans pièces mécaniques soudées, alliages de cuivre, de nickel, de titane.

Le cuivrage, dépôt de cuivre en surface et métallisation

Déposer une couche de cuivre sur un autre matériau répond à trois besoins distincts, améliorer la conductivité d'une surface, préparer l'accrochage d'un dépôt ultérieur de nickel ou de chrome, et métalliser un support isolant.

Le choix du bain se joue sur le substrat, et l'industrie en emploie deux. Le bain acide au sulfate donne des dépôts épais, brillants et rapides, mais il exige une surface déjà conductrice et compatible, ce que décrit cuivrage chimique et électrolytique en milieu acide. Le bain alcalin cyanuré accroche sur les métaux réactifs comme le zinc ou l'acier sans attaque préalable, au prix d'une toxicité qui impose un traitement d'effluents lourd, sujet développé dans cuivrage alcalin cyanuré.

La demande tirée par l'électrification pèse aujourd'hui sur les équilibres du marché. Un véhicule électrique embarque environ 4 fois plus de cuivre qu'un véhicule thermique, une éolienne en mer plusieurs tonnes par mégawatt installé, et les projections de long terme annoncent un besoin qui progresse plus vite que la capacité minière. La teneur moyenne des gisements exploités décroît depuis des décennies, ce qui augmente à la fois l'énergie et l'eau consommées par tonne produite, et renforce l'intérêt de la boucle de recyclage.

Les nuances normalisées, ce que désigne un cuivre de qualité donnée

Parler du cuivre sans préciser sa nuance mène à des déconvenues, car deux qualités voisines ne se soudent pas et ne se comportent pas de la même façon. La norme européenne EN 1412 attribue à chaque produit un code commençant par C, et les désignations d'usage restent les plus employées en atelier.

• Le Cu-ETP, cuivre affiné électrolytiquement, la nuance la plus courante, avec une conductivité de 100 % et une teneur en oxygène résiduelle de quelques centaines de parties par million. Cet oxygène le rend sensible à la fragilisation par l'hydrogène au-dessus de 400 degrés Celsius, ce qui interdit certaines opérations de brasage sous atmosphère réductrice.
• Le Cu-DHP, désoxydé au phosphore, dont la conductivité tombe à 85 % environ mais qui se soude et se braise sans risque. C'est la nuance des tubes de plomberie et de climatisation.
• Le Cu-OF, exempt d'oxygène, réservé à l'électronique sous vide et aux applications où la moindre inclusion perturbe le comportement du métal.
• Le cuivre à l'argent, additionné de quelques centièmes de pourcent d'argent, qui conserve sa résistance mécanique après un échauffement là où une nuance ordinaire recristalliserait et s'amollirait.

L'écart de conductivité entre ces qualités atteint 15 %, ce qui se traduit directement en pertes par effet Joule sur un jeu de barres ou en section de conducteur à prévoir. Le choix de la nuance relève donc du dimensionnement, pas de l'approvisionnement.

Les composés du cuivre et sa place dans le vivant

Le métal ne circule pas seulement à l'état pur. Ses composés chimiques alimentent des filières entières, et certains d'entre eux comptent parmi les réactifs industriels les plus anciens.

• Le sulfate de cuivre pentahydraté, cristaux bleus, employé en traitement phytosanitaire depuis la fin du dix-neuvième siècle avec la bouillie bordelaise, ainsi qu'en bain de cuivrage et en algicide de bassin.
• L'oxyde cuivreux Cu2O, rouge, utilisé comme pigment et comme matière active des peintures antisalissure de coque, où son activité biocide limite la fixation des organismes marins.
• L'oxyde cuivrique CuO, noir, catalyseur d'oxydation et précurseur des supraconducteurs à haute température critique, une famille dont les recherches restent actives.
• Le chlorure et l'acétate, engagés en catalyse organique, notamment dans les couplages qui portent le nom du chimiste Ullmann.

Le cuivre est par ailleurs un oligo-élément essentiel, présent à l'état naturel dans l'organisme humain à hauteur d'une centaine de milligrammes environ, où il est associé à plusieurs enzymes du métabolisme. Cette dualité vaut d'être connue quand on parle de santé au travail, car un élément indispensable à faible dose devient toxique en quantité élevée, et la qualité des eaux distribuées par un tel réseau fait l'objet d'une valeur réglementaire fixée à 2 milligrammes par litre dans l'Union européenne.

Son activité antimicrobienne est la propriété la plus documentée de ces dernières années. Les surfaces en alliages cuivreux réduisent généralement de façon forte la survie des micro-organismes déposés, ce qui a conduit plusieurs pays à autoriser leur information commerciale comme surfaces de contact antimicrobiennes en établissement de soins. Les techniques de pose et les applications restent limitées par le coût, le laiton et le cupronickel étant retenus plus souvent que le métal pur.