Métallurgie du Cuivre : Extraction, Alliages, Normes

Métallurgie du Cuivre
Présenté par SACLA AЇDE Magloire UAC/EPAC/GME/-2015 Page 1
Contenu………………………………………………………………………………………..1
Introduction .............................................................................................................................. 2
1. Généralité sur le cuivre .................................................................................................... 2
2. Extraction du cuivre ......................................................................................................... 3
3. Métallurgie du cuivre ....................................................................................................... 3
3.1. La production des concentrés ................................................................................... 3
3.2. Elaboration de blister ................................................................................................ 4
3.3. L’affinage ................................................................................................................... 4
4. Les différentes catégories de cuivre ................................................................................. 5
5. Les alliages du cuivre ........................................................................................................ 6
6. Influence des éléments d'addition .................................................................................... 6
7. Désignation du cuivre et ces alliages ............................................................................... 7
7.1 Désignation du cuivre dans les normes ISO et NFA ..................................... 7
7.2 Désignation des alliages de cuivre dans les normes ISO et NFA ........................... 8
8. Exemples d'utilisations et principaux alliages utilisés ................................................... 8
Conclusion ................................................................................................................................. 9
Bibliographie ............................................................................................................................. 9

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Introduction
La métallurgie est l’ensemble des procédés et des techniques d'extraction,
d'élaboration, de mise en forme et de traitement des métaux et de leurs alliages. Son
développement va modifier profondément l’histoire humaine. Elle nécessite une parfaite
maitrise du feu. Le traitement des minerais fut une étape capitale de l’évolution des
civilisations. [1] En effet, la plupart des métaux n’existent qu’à l’état combiné (oxydes,
carbonates…), et ils ont naturellement tendance à retourner à cet état du fait des processus de
corrosion. La réduction des minerais par l'action conjointe du charbon et de la chaleur, qui
permet d’obtenir le métal, fut peut-être à l’origine le résultat d’un heureux hasard, tout comme
la vitrification du sable. La réduction des minerais de cuivre (malachite ou chalcopyrite)
s’opérait en une seule étape, assurant simultanément la réduction des oxydes et la fusion des
particules métalliques.
A l’origine, le cuivre était réduit en petits morceaux à partir de la masse, martelé et
taillé suivant des techniques similaires à celles utilisées pour les os ou les pierres. Toutefois,
ce métal ainsi traité restait fragile et pouvait facilement se briser. Sa cuisson sur un feu de bois
va pallier ce problème : il devient malléable et le forgeron pourra le marteler. Ces premières
fusions ont été probablement obtenues par hasard, suite par exemple à l’abandon d’une pierre
de malachite dans les feux de camp. Cette découverte fondamentale va conduire au
développement de la métallurgie. [4]
1. Généralité sur le cuivre
De symbole chimique Cu, le cuivre est le premier métal que l’humanité ait connu et su
travailler. On retrouve des objets et des armes remontant à 5000 avant Jésus- Christ, mais
d’une manière générale, les civilisations de l’antiquité ont développé son utilisation vers 3500
avant Jésus- Christ, le fer n’apparaissant que plus tard vers 1800 avant Jésus- Christ.
Actuellement, le cuivre est, avec l’aluminium, au second rang après les métaux ferreux en
importance économie et industrielle. Il fond à 1083°C et bout à 2595°C. Sa densité est 8,94. [2]
Le cuivre est un métal rougeâtre très ductile et malléable, en plus d’être un excellent
conducteur d’électricité. Il possède aussi une bonne résistance aux intempéries et de bonnes
caractéristiques mécaniques. Il ternit et se couvre de vert-de-gris. On l’utilise beaucoup dans
la fabrication de fils électriques ou en tuyauterie.

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2. Extraction du cuivre
Le cuivre n’est plus présent dans la nature à l’état natif comme l’antiquité. Il se
présente sous forme de sels contenant 30 à 90% de cuivre, eux-mêmes mélangés aux stériles
et quelquefois à d’autres métaux, dont certains peuvent être plus rares que le cuivre, comme
l’or et l’argent. Un minerai est considéré comme riche à partir de 1,8% de cuivre pur. Il est
exploité à partir de minerai sulfurés (80% de la production mondiale) ou de minerai oxydé. [3]
Le type de minerai définit le processus à suivre pour l’obtention de cuivre pur :
- Pyrométallurgie pour les minerais sulfurés ;
- Hydrométallurgie pour les minerais oxydés.
La teneur en cuivre des minerais exploités peut être faible, inférieure à 1%. Ils sont exploités à
ciel ouvert ou en galeries souterraines et sont concentrés sur place.
3. Métallurgie du cuivre
Les minerais oxydés donnent lieu à un traitement particulier par voie chimique dit
« procédé de lixiviation ». [5]
Nous décrivons ci-après la production des concentrés par le procédé de flottation qui ne
concerne que les minerais sulfurés.
3.1. La production des concentrés
Quels que soient son ampleur et le perfectionnement des moyens qu’elle emploie, la
mine elle-même n’extrait donc qu’un mélange de minéraux à faible teneur en cuivre, qu’il
faudra concentrer avant d’envisager le transport hors de la zone du complexe minier. Le
processus suivant décrit la production des concentrés par le procédé de flottation.
La première étape du traitement des minerais sulfurés en vue de l'obtention de
concentrés consiste en des opérations successives de concassage, broyage, tamisage et triage,
qui les transforment en poudre grossière, sur laquelle on projette de l'eau.
Par un traitement de flottation dans l'eau puis de décantation, qui consistent à faire remonter à
la surface la partie la plus riche du minerai pour le séparer des boues qui restent au fond du
bain, on obtient un concentré contenant 25 à 40 % de cuivre. (Voir figure N°1)

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Figure N°1 : Production des concentrés par le procédé de flottation. Source. [2]
3.2. Elaboration de blister
Elle part de concentrés de cuivre pour aboutir aux blisters. C’est le premier traitement
à haute température.
Dans un premier temps, à l’état liquide en présence de fondants, on sépare par gravité
et par grillage les stériles plus légers des sels de cuivre plus lourds, pour obtenir la matte
fortement chargée en soufre, contenant 40 à 60% de cuivre.
Dans un deuxième temps, un convertissage à environ 1300°C dans un four rotatif
permet de séparer le cuivre des autres constituants contenus dans la matte. Cette opération
aboutit à la production de blisters contenant 98 à 99,5% de cuivre, qui se présentent sous
forme de plaques. (Voir figure N°2)
Les blisters (vocable anglais rappelant les cloques de leur surface oxydée) sont encore
impropres à une utilisation dans l’industrie, parce que leur pureté est insuffisante, et doivent
subir par conséquent une nouvelle opération d’affinage.
Ils peuvent être achetés tels que par les pays consommateurs équipés d’une industrie de
raffinage. La pureté recherchée est de 99,9%. On doit donc affiner les blisters.
3.3. L’affinage
Le blister doit être affiné pour obtenir la pureté nominale de 99,90 % utilisable dans la
plupart des applications. II existe deux procédés d'affinage :
 L'affinage thermique, qui consiste à refondre le blister en l'oxydant pour éliminer les
impuretés sous forme d'oxyde qui se volatilisent.
Au cours de ce traitement, le cuivre se charge de 0,6 à 0,9 % d'oxygène dont il faut
éliminer l'essentiel par une opération de perchage, qui consiste à introduire des troncs de bois

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vert dans le bain de cuivre. On obtient alors un cuivre de qualité thermique, qui contient
encore de 0,02 à 0,04 % d'oxygène et un peu d'hydrogène, et qui, de ce fait, n'a que peu
d'applications dans l'industrie. Ce procédé n'est presque plus utilisé aujourd'hui.
 L'affinage électrolytique, qui transforme le blister, préalablement coulé sous forme
d'anode, en cathode par le procédé de l'anode soluble.
Le cuivre obtenu est pur mais il n'est pas encore utilisable en l'état à cause de sa porosité
et de la présence possible d'inclusions d'électrolyte. Pour avoir à la fois le cuivre pur à 99,90
% ou davantage et les meilleures caractéristiques de plasticité, on refond ultérieurement les
cathodes suivant plusieurs procédés, qui permettent d'obtenir les différentes qualités de cuivre
utilisées dans l'industrie et qui correspondent aux diverses catégories d'applications. (Voir
figure N°2)
Figure N°2 : Elaboration de blister et l’affinage. Source [2]
4. Les différentes catégories de cuivre
On distingue ainsi les trois principales catégories de cuivre suivantes :
- Le cuivre Cu/a1 : Contenant de l’oxygène, il est caractérisé par sa haute conductibilité
électrique mais se prête mal au soudage à température supérieure à 400°C, à cause de
sa sensibilité aux atmosphères réductrices (hydrogène).