Bronze au bismuth - Bismuth bronze
Le bronze au bismuth ou le laiton au bismuth est un alliage de cuivre qui contient généralement 1 à 3% de bismuth en poids, bien que certains alliages contiennent plus de 6% de Bi. Cet alliage de bronze est très résistant à la corrosion , une propriété qui le rend adapté à une utilisation dans des environnements tels que l'océan. Les bronzes et laitons au bismuth sont plus malléables , thermoconducteurs et polissent mieux que les laitons ordinaires. Les applications industrielles les plus courantes de ces métaux sont les roulements, mais le matériau est utilisé depuis la fin du XIXe siècle comme ustensiles de cuisine et miroirs. Du bronze au bismuth a également été trouvé dans des couteaux de cérémonie inca au Machu Picchu . Récemment, la pression pour la substitution des métaux dangereux a augmenté et avec elle le bronze au bismuth est commercialisé comme une alternative verte aux roulements et bagues en bronze au plomb.
Histoire
Le plus ancien artefact connu contenant du bronze au bismuth est un couteau inca du Pérou, découvert en 1912. Que l'alliage ait été choisi en raison des propriétés métallurgiques qui facilitaient la coulée ou en raison de sa finition plus blanche et plus brillante est une question de conjecture. Il est peu probable que l'inclusion du bismuth ait été accidentelle, comme c'était probablement le cas pour la plupart des autres bronzes primitifs contenant du bismuth, ce qui en fait la première preuve d'addition intentionnelle de bismuth à un alliage. Le bronze au bismuth a été redécouvert dans les années 1880 par James Webster pour les fils télégraphiques. Webster a développé deux alliages bismuth-étain-bronze. Un alliage a été développé comme une première tentative de production de bronze résistant à la corrosion et a été décrit comme "dur, résistant et sonore". Webster a également indiqué que cet alliage particulier était également bien adapté aux cordes à piano. Un autre premier alliage Webster a été décrit comme "durable et brillant" et plus tard utilisé dans les ustensiles de cuisine en raison de son lustre et de son ternissement lent. La capacité de cet alliage particulier à retenir le poli le rendait également utile comme réflecteur de lumière ou matériau de miroir, pour lequel il a continué à être utilisé jusqu'au XXe siècle.
Dans les années 1990, le fabricant de pièces automobiles Federal Mogul a commencé à développer des bronzes au bismuth comme alternative aux bronzes contenant du plomb en raison de la pression croissante sur l'élimination du plomb dans les applications grand public et industrielles. Le bismuth est un métal lourd non toxique, et comme la législation telle que la restriction européenne des substances dangereuses ou la loi américaine sur la réduction du plomb dans l'eau potable continue de réglementer la quantité de plomb qui peut être dans un produit ou un environnement, plus sans plomb des matériaux alternatifs ont été développés qui conservent les propriétés de leurs prédécesseurs de plomb sans contenir de plomb . Le bismuth est un remplacement particulièrement approprié pour les roulements en bronze au plomb car, comme le plomb, le bismuth est insoluble dans le cuivre et forme des micro-globules similaires qui imitent le plomb.
Caractéristiques
Structure
Le "bronze au bismuth" moderne n'est techniquement ni un alliage ni un bronze, mais un matériau composite contenant du laiton et du bismuth (bien que certains bronzes soient encore utilisés). Parce que le bismuth, comme le plomb, est insoluble dans le cuivre, il existe sous forme de micro-globules discrets de bismuth à l'intérieur des joints de grains de l'alliage qui se comportent comme des particules de bismuth. Ces particules se déforment facilement dans la structure cristalline et à travers la surface du métal pour agir comme un lubrifiant solide à faible cisaillement dans les cas de faible lubrification. Le sélénium est ajouté aux alliages rouges de cuivre-bismuth car il renforce les propriétés du bismuth du matériau. Étant donné que le bismuth liquide peut conduire à la fragilisation d'un alliage, il faut prendre soin de traiter et de recycler ces matériaux.
Propriétés
Les bronzes au bismuth modernes sur le marché sont développés pour avoir des propriétés similaires aux bronzes au plomb, et beaucoup d'entre eux possèdent des propriétés mécaniques presque identiques à celles des alliages au plomb courants, telles que l'usinabilité et une conductivité thermique élevée. Ils ont également un pouvoir lubrifiant élevé , ce qui les rend idéaux pour les couches extérieures des pièces de machines sujettes à l'usure telles que les roulements et les plateaux cycliques . Le bronze au bismuth-étain n'est pas facilement corrosif pour l'eau; le bismuth préliminaire n'est pas facilement oxydé .
Applications
À l'origine, le bronze au bismuth-étain a été développé pour les fils télégraphiques. Cependant, à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, le bronze est devenu plus couramment utilisé dans les miroirs, les réflecteurs, les ustensiles de cuisine et les cordes à piano. Il est tombé hors d'usage courant dans la première moitié du XXe siècle.
Les alliages de bronze au bismuth modernes sont commercialisés comme une alternative verte au plomb, souvent choisis par rapport aux bronzes au plomb moins chers en raison de la réglementation environnementale. On les trouve sous forme de couche de surface sur des composants automobiles ou mécaniques qui subissent une forte usure comme les pompes à pistons hydrauliques. Ces alliages sont également couramment utilisés dans les roulements ou les bagues dans les systèmes tribologiques . En outre, certains raccords de plomberie en bronze au bismuth sont fabriqués.
En traitement
Fonderie
Les pièces moulées en bronze au bismuth sans plomb sont produites par des moules congelés. Les caractéristiques du sable sont utilisées pour augmenter la vitesse de refroidissement des pièces moulées en bronze parce que les particules de sable ont une conductivité thermique plus élevée , une plus grande taille de grain et une forme sphérique. Le moule a un potentiel de refroidissement élevé. Lorsque le moule est gelé, la glace près de la surface se contracte en métal fondu et dégèle immédiatement.
Extrusion et recuit
Une autre façon de traiter le laiton au bismuth comprend la tige en laiton d' extrusion par usinage pour donner au matériau une forme souhaitée. Le matériau est ensuite recuit pour soulager les contraintes causées par l'usinage. Le matériau est recuit à une certaine température et durée de recuit en fonction de la composition du matériau. L'heure est choisie pour limiter le mouvement diffusionnel du bismuth. Cela réduit les fissures de l'appareil.
- Matrice d'extrusion à chaud en aluminium. Semblable aux matrices d'extrusion en laiton.
Face avant d'un dé de quatre familles. Pour référence, la matrice a un diamètre de 228 mm (9,0 pouces).
Gros plan de la forme découpée dans la matrice. Notez que les murs sont dessinés et que l'épaisseur de la paroi arrière varie.
Face arrière de la matrice. L'épaisseur de paroi de l'extrusion est de 3 mm (0,12 in).
Atomisation d'eau
L'atomisation d'eau à haute pression est une méthode de traitement du laiton au bismuth. C'est une manière de solidifier rapidement l' alliage métallique . Un métal liquide est dispersé en gouttelettes par l'impact de jets d'eau à haute pression. Il s'agit d'un procédé peu coûteux pour obtenir une distribution de fines particules dans les poudres de fer , d' acier inoxydable et de métaux faiblement alliés. C'est une manière de solidifier rapidement l'alliage métallique. Une limitation de l'atomisation de l'eau est la pureté de la poudre. Pour les métaux enclins à l' oxydation , c'est un problème majeur.