Le cupro-nickel désigne une famille d’alliages métalliques composés principalement de cuivre, qui constitue le métal de base avec la plus grande teneur de cuivre et de nickel, avec ou sans autres éléments [1]. La teneur en nickel varie généralement entre 10 % et 30 % en masse, le cuivre représentant la proportion majoritaire comprise entre 60 % et 90 % [1]. Ces alliages présentent une caractéristique distincte: malgré leur forte teneur en cuivre, ils affichent une couleur argentée lorsque la proportion de nickel atteint un cinquième ou un quart de la composition totale.
Les alliages cupro-nickel commercialisés contiennent essentiellement entre 73 % et 85 % de cuivre et entre 14 % et 26 % de nickel [1]. À ces composants principaux s’ajoutent fréquemment environ 0,3 % de fer et 0,3 % de manganèse [1], ainsi que des quantités faibles de zinc et d’étain. La teneur en zinc ne peut excéder 1 % dans la composition [1]. D’autres éléments comme le silicium, l’aluminium ou le niobium peuvent être incorporés pour améliorer des propriétés spécifiques telles que la solidité et la résistance à la corrosion.
Les alliages cupro-nickel se cristallisent sur toute la plage de concentration dans un réseau cristallin cubique à faces centrées [1]. L’espacement du réseau de cette solution solide cubique à faces centrées varie de manière presque linéaire avec la concentration atomique entre les valeurs du cuivre (3,6153 × 10⁻⁸ cm) et celle du nickel (3,5238 × 10⁻⁸ cm) [1]. Cette structure cristalline confère aux alliages des propriétés mécaniques et physiques particulières.
Les cupro-nickels figurent parmi les alliages de cuivre résistants à la corrosion [1]. Ils résistent à l’humidité, aux acides non oxydants, aux alcalis et aux solutions salines, aux acides organiques ainsi qu’aux gaz tels que l’oxygène, le chlore, le chlorure d’hydrogène, le fluorure d’hydrogène, le dioxyde de soufre et le dioxyde de carbone [1]. Cette résistance exceptionnelle à la corrosion, particulièrement en environnement marin, explique leur utilisation extensive dans les applications maritimes, la fabrication de monnaie et les systèmes exposés à l’eau de mer.
Composition et principales nuances du cupro-nickel
Les alliages cupro-nickel se déclinent en plusieurs nuances standardisées, définies principalement par leur ratio cuivre-nickel et la présence d’éléments d’addition spécifiques.
Cupro-nickel 90/10
Le cupro-nickel 90/10 contient 90 % de cuivre et 10 % de nickel [2]. Cette composition nominale intègre également des ajouts de fer (1,5 %) et de manganèse (0,7 %) qui renforcent la résistance mécanique et la résistance à la corrosion [2]. Les désignations normalisées incluent C70600, CN102 et CW352 [2]. Cet alliage présente une masse volumique de 8,9 g/cm³, une conductivité thermique de 40 W/(m⋅K) et une résistance à la traction de 275 MPa [3]. Sa limite d’élasticité atteint 105 MPa avec un allongement à la rupture compris entre 40 et 50 % [1][3]. La résistivité électrique s’établit à 19 µΩ·cm [3].
Cupro-nickel 70/30
Le cupro-nickel 70/30 se compose de 70 % de cuivre et 30 % de nickel [2][2]. La composition de l’UNS C71500 intègre du fer (0,7 à 1,5 %) et du manganèse (0,5 à 1,0 %) [1]. Ces ajouts améliorent la résistance à l’érosion et renforcent les caractéristiques mécaniques [3]. Cet alliage affiche une masse volumique de 8,95 g/cm³, une conductivité thermique de 29 W/(m⋅K) et une résistance à la traction de 360 MPa [3]. La limite d’élasticité atteint 125 MPa [3]. Le recuit s’effectue entre 649 et 816°C [2]. L’indice d’usinabilité du cupro-nickel 70/30 est de 20 % [2].
Cupro-nickel 80/20
Le cupro-nickel 80/20 comprend 80 % de cuivre et 20 % de nickel [1]. Cette nuance offre des propriétés intermédiaires entre les grades 90/10 et 70/30. Sa résistance à la traction varie entre 220 et 300 MPa, tandis que la limite d’élasticité se situe entre 100 et 150 MPa [1]. L’allongement à la rupture atteint 45 à 55 % [1].
Autres compositions spécifiques
Le cupro-nickel 66/30/2 contient 65 à 68 % de cuivre, 30 à 33 % de nickel, 1,0 à 2,0 % de fer et 1,0 à 2,0 % de manganèse [1]. Cette composition présente une résistance à la traction comprise entre 320 et 450 MPa [1]. D’autres variantes incluent le CuNi2Si avec 1,6 à 2,3 % de nickel et 0,3 à 0,6 % de silicium [1], ainsi que le CuNi16Mn5AlFe comprenant 15 à 17 % de nickel, 4 à 6 % de manganèse et 3 à 5 % d’aluminium [1].
Propriétés du cupro-nickel
L’alliage de cuivre et de nickel présente un aspect argenté caractéristique lorsque la teneur en nickel atteint ou dépasse 15 % en masse [2]. Cette particularité esthétique s’accompagne de propriétés magnétiques singulières : bien que le nickel soit ferromagnétique, les pièces en cupro-nickel ne sont pas soulevées par un aimant ordinaire [2].
Les caractéristiques mécaniques varient selon la composition. Le cupro-nickel 90/10 affiche une masse volumique de 8,9 g/cm³, une résistance à la traction de 275 MPa, une limite d’élasticité de 105 MPa et un module de Young de 135 GPa [2]. La nuance 70/30 présente une masse volumique de 8,95 g/cm³, une résistance à la traction de 360 MPa, une limite d’élasticité de 125 MPa et un module de Young de 152 GPa [2]. L’alliage 66-30-2-2 atteint une résistance à la traction de 435 MPa avec une limite d’élasticité de 170 MPa et un module de Young de 156 GPa [2]. La ductilité après recuit demeure excellente [2], permettant un allongement entre 30 et 40 % [4].
La conductivité thermique s’établit à 40 W/(m·K) pour le 90/10 et 29 W/(m·K) pour le 70/30 [2]. Le coefficient de dilatation thermique atteint 17 µm/(m·K) pour le 90/10 et 16 µm/(m·K) pour le 70/30 [2]. Ces valeurs rendent l’alliage adapté à la réalisation d’échangeurs de chaleur et de condenseurs performants [2]. La résistivité électrique varie de 19 µΩ·cm pour le 90/10 à 34 µΩ·cm pour le 70/30 [2].
La résistance à l’usure figure parmi les propriétés notables [2]. L’alliage manifeste une résistance chimique substantielle, notamment à la corrosion par l’eau de mer et les diverses saumures [2]. Il résiste également aux corrosions par piqûres, par crevasses et sous contrainte [5]. Le potentiel d’électrode s’avère adapté aux eaux marines [2]. Les propriétés antimicrobiennes du cuivre, composant principal, confèrent à l’alliage une résistance à l’encrassement biologique et facilitent son nettoyage [2]. La stabilité thermique, associée à la ductilité à basse température, ouvre des applications en techniques cryogéniques [2]. L’alliage se caractérise par sa facilité de mise en œuvre et d’usinage [2], ainsi que par sa bonne résistance aux impacts et à la fatigue [2].
Applications du cupro-nickel
Les secteurs maritime et offshore constituent les domaines d’utilisation privilégiés du cupro-nickel [1]. Les constructions navales intègrent cet alliage dans les conduites d’eau de mer, les condenseurs, les échangeurs de chaleur, les hélices, les vilebrequins et les coques des navires performants tels que les remorqueurs et les navires de pêche [1][6]. Les unités de désalinisation exploitent les nuances 90/10 et 70/30 pour les sections de récupération de chaleur, les chauffeurs de saumure et les tubes des évaporateurs [7]. Les plateformes pétrolières et gazières offshore, ainsi que les navires de production, stockage et déchargement flottants utilisent des systèmes en cupro-nickel pour les zones d’éclaboussure [7].
L’industrie de la frappe monétaire représente une application majeure de cet alliage [1][6]. Les pièces de 1 euro comportent un centre en cupronickel composé de 75 % de cuivre et 25 % de nickel sur une âme de nickel [1]. À l’inverse, les pièces de 2 euros présentent une couronne en CuNi25 [1]. La Confédération suisse utilise également le cupro-nickel pour ses pièces de monnaie [1]. Les pièces de cinq cents américaines contiennent cet alliage [3].
Les industries chimiques et pétrochimiques emploient le cupro-nickel pour la fabrication de réacteurs, pompes, vannes et instruments de mesure [2][8]. Dans le secteur énergétique, les centrales électriques nucléaires et à combustibles fossiles intègrent des tuyaux et composants en cupro-nickel dans les condenseurs de turbines à vapeur, les refroidisseurs d’huile, les systèmes de refroidissement auxiliaires et les préchauffeurs haute pression [7].
Cupro-nickel en métrologie
Le cupro-nickel (alliage de cuivre et de nickel, typiquement 70-75% Cu / 25-30% Ni) est utilisé en métrologie pour plusieurs applications, principalement grâce à ses propriétés thermoélectriques et sa stabilité.
Thermocouples et résistances de référence
Le cupro-nickel — souvent appelé constantan dans sa forme métrologique (≈55% Cu / 45% Ni) — est l’un des matériaux les plus importants pour la mesure de température :
- Il constitue le pôle négatif des thermocouples de types E, J, T, qui sont des étalons de température très répandus.
- Le constantan présente une résistivité électrique quasi constante sur une large plage de température (d’où son nom), ce qui en fait un matériau de choix pour les résistances étalons.
Propriétés clés exploitées
| Propriété | Valeur / Intérêt métrologique |
|---|---|
| Résistivité stable | ~490 nΩ·m, peu sensible à la température |
| Coefficient de résistance thermique | Très faible (~±20 ppm/°C) |
| Coefficient Seebeck élevé | Idéal pour thermocouples |
| Résistance à la corrosion | Bonne stabilité à long terme des étalons |
| Reproductibilité | Compositions bien standardisées (IEC 60584) |
Applications spécifiques
- Ponts de Wheatstone étalons : les résistances en constantan sont utilisées dans les circuits de mesure de précision.
- Capteurs de déformation (jauges de contrainte) : le constantan est le matériau de référence pour les jauges de haute précision grâce à son faible coefficient thermique du facteur de jauge.
- Calorimétrie : utilisé dans les fils de résistance chauffants de précision.
- Thermocouples de type T (Cu/CuNi) : étalons cryogéniques entre -200°C et +350°C.
Normes associées
Les alliages de cupro-nickel utilisés en métrologie sont définis par des normes strictes : IEC 60584 (thermocouples), IEC 60751 (Pt100, où le cupro-nickel sert de référence comparative), et ASTM E230.
Les applications cryogéniques tirent parti de la stabilité thermique et de la ductilité à basse température de l’alliage [7][2]. Le secteur automobile utilise des tubes de freins hydrauliques et des composants de climatisation [2]. L’instrumentation électrique et électronique comprend des connecteurs, résistances, thermocouples et tubes d’instrumentation [3][2]. Les propriétés antimicrobiennes du cuivre confèrent au cupro-nickel des applications dans les environnements médicaux, bien que moins fréquentes comparativement au titane et à l’acier inoxydable [3].
Où intervient le cupro-nickel ?
Les fils de connexion et résistances de compensation
Dans un montage 4 fils ou pont de Wheatstone, on a besoin de résistances d’équilibrage stables. Le constantan est utilisé pour ces résistances car son coefficient thermique est quasi nul, évitant qu’elles ne faussent la mesure de la Pt100.
Les thermocouples utilisés en comparaison
En laboratoire de métrologie, pour étalonner une Pt100, on la compare souvent à un thermocouple de type T (cuivre / cupro-nickel), notamment dans les bains thermostatés.
Les instruments de mesure eux-mêmes
Les résistances internes des ponts de mesure (multimètres de précision, pont de Thomson, pont de Kelvin) utilisent des résistances en constantan pour leur stabilité.
3. Comparaison des deux technologies
| Critère | Pt100 / Pt1000 | Thermocouple Cu/CuNi (type T) |
|---|---|---|
| Matériau actif | Platine | Cupro-nickel + cuivre |
| Plage typique | -200°C à +850°C | -200°C à +350°C |
| Précision | Très haute (±0,1°C) | Moyenne (±0,5°C) |
| Stabilité long terme | Excellente | Bonne |
| Usage métrologique | Étalon de transfert | Référence cryogénique |
En résumé
Le cupro-nickel n’entre pas dans la composition des sondes Pt100/Pt1000, mais il est omniprésent dans leur environnement de mesure : fils de compensation, résistances d’équilibrage, et thermocouples de comparaison utilisés lors de leur étalonnage.
Avantages du cupro-nickel
Résistance à la corrosion
La capacité des alliages cupro-nickel à résister à la corrosion demeure inégalée, notamment dans les environnements marins et salins [3]. Lorsque exposé à l’eau de mer, l’alliage forme rapidement une fine couche adhérente d’oxydes de cuivre et d’hydroxychlorures [9]. Ce film protecteur présente des propriétés d’auto-guérison remarquables : si endommagé, il peut se régénérer et maintenir ainsi une protection continue [9]. Par ailleurs, le cupro-nickel manifeste une corrosion uniforme plutôt que localisée, rendant le phénomène plus prévisible et gérable [9]. La teneur en cuivre confère à l’alliage une nature antifouling qui empêche la prolifération d’organismes marins sur la surface du métal [6].
Conductivité thermique
Les propriétés thermiques varient selon la composition. Le cupro-nickel 90/10 affiche une conductivité thermique de 41,84 W.m⁻¹.K⁻¹ [10], tandis que la nuance 70/30 présente une valeur de 29,29 W.m⁻¹.K⁻¹ [10]. Cette capacité à transférer efficacement la chaleur rend l’alliage adapté aux échangeurs de chaleur et aux systèmes similaires [3]. De plus, la conductivité thermique à basse température ouvre des applications en techniques cryogéniques [1].
Facilité de mise en forme
L’excellente ductilité après recuit [1] permet aux cupro-nickels d’être facilement transformés selon les besoins de fabrication. Les alliages se distinguent par leur bonne formabilité et soudabilité pour la fabrication de pièces complexes [2]. En effet, le matériau s’avère relativement facile à usiner, à forger et à former [3], ce qui autorise des conceptions complexes. Les opérations de cintrage, de coupe et d’usinage s’effectuent aisément [5], facilitant ainsi la mise en œuvre dans divers processus de fabrication.
Durabilité
La résistance de l’alliage et sa résistance à l’usure garantissent des performances durables [3]. La couche d’oxyde stable qui se forme agit comme une barrière protectrice contre une corrosion ultérieure, augmentant ainsi la durée de vie du matériau [9]. Les cupro-nickels manifestent une très bonne tenue à la fatigue et au fluage [11], associée à une haute résistance mécanique et une stabilité à haute température [2]. Cette longévité et cette fiabilité dans les environnements les plus exigeants [2] réduisent les coûts de maintenance sur le long terme.
Cupro-nickel vs autres alliages de cuivre
Par rapport au bronze, le cupro-nickel offre une résistance à la corrosion supérieure dans les environnements marins [12]. Les études révèlent que le taux de corrosion moyen du cupro-nickel demeure inférieur à 2,5 µm/an [12], résultat de la formation d’un film protecteur d’oxyde de nickel [12]. Le bronze, bien que résistant, présente une susceptibilité accrue à la corrosion localisée sur des périodes prolongées [12]. Dans les applications maritimes, le cupro-nickel convient aux coques de navires et aux systèmes de tuyauterie [12], tandis que le bronze s’avère préférable pour les hélices et autres composants soumis à une usure élevée [12].
Concernant le maillechort, cet alliage ternaire de cuivre, nickel et zinc [4] se distingue du cupro-nickel par la présence systématique de zinc. Lorsque la proportion de cuivre dépasse 65 %, l’alliage adopte une couleur dorée et l’appellation maillechort devient abusive [13]. Les caractéristiques mécaniques des maillechorts surpassent celles des laitons, avec une résistance à la corrosion nettement supérieure [4]. En revanche, le cupro-nickel conserve une couleur argentée et ne contient pas de zinc dans ses compositions binaires standard. La distinction s’observe également dans les applications numismatiques : les pièces de 1 euro comportent un centre en cupro-nickel, tandis que leur couronne jaune utilise un alliage contenant 75 % de cuivre, 20 % de zinc et 5 % de nickel [13].
Références
[1] – https://fr.wikipedia.org/wiki/Cupronickel
[2] – https://g2d2.com/glossaire/les-metaux-speciaux/les-cupro-nickel
[3] – https://www.precionn.com/fr/exploring-cupronickel-a-versatile-alloy-for-modern-industry.html
[4] – https://www.matthey.ch/alliages/alliages-cuivreux
[5] – https://met3dp.com/fr/cupronickelcomprehensive-reliable-and-long-lasting/
[6] – https://deltametal.fr/cupro-nickel/
[7] – https://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/
[8] – https://fr.baogangpipe.com/news/cupronickel-is-a-copper-alloy-whose-main-compo-68223570.html
[9] – https://fr.sxthsteelpipe.com/info/does-copper-nickel-rust-100732850.html
[10] – https://www.thermoconcept-sarl.com/base-de-donnees-conductivite-thermique/
[11] – https://www.visserie-boulonnerie-speciale.com/matieres/autres-matieres/cuivre-et-alliages-de-cuivre/cupro-nickel/
[12] – https://www.thecasting-factory.com/copper-nickel-alloys-vs-bronze-which-is-better-for-marine-use/
[13] – https://fr.numista.com/forum/topic85675.html
