Brève étude sur l’application du cuivre au béryllium dans les connecteurs électriques
Résumé : Cet article présente la classification des alliages de cuivre au béryllium, les nuances couramment utilisées dans les connecteurs électriques, leur composition chimique, leurs propriétés et l’état actuel de développement en Chine et à l’international. Il analyse également les perspectives d’application et les orientations futures du cuivre au béryllium dans l’industrie des connecteurs électriques.
Mots-clés : cuivre au béryllium ; connecteur électrique
1. Introduction
Les matériaux élastiques sont nombreux, largement utilisés, finement usinés et possèdent des propriétés uniques. Les alliages élastiques à base de cuivre sont largement utilisés dans les composants conducteurs élastiques en raison de leur excellente conductivité électrique et thermique ainsi que de leurs bonnes propriétés mécaniques. En fonction de leur élasticité, ils peuvent être classés en : alliages de cuivre à haute élasticité, moyenne élasticité, faible élasticité et alliages composites.
Dans les connecteurs électriques, les matériaux élastiques sont essentiels pour assurer la stabilité des forces d’insertion et de rétention. Actuellement, on utilise principalement des alliages de cuivre à haute élasticité, qui peuvent être durcis par traitement thermique. Le cuivre au béryllium est un exemple représentatif. C’est un alliage à durcissement structural combinant haute conductivité et haute élasticité. Les pièces élastiques fabriquées en cuivre au béryllium présentent une faible hystérésis élastique et une excellente résilience, ce qui en fait un matériau exceptionnel parmi les alliages élastiques.
Cet article décrit les types courants d’alliages de cuivre au béryllium, leurs nuances, leur composition chimique et leurs propriétés. Il compare également l’état de développement du cuivre au béryllium en Chine et à l’étranger et discute de ses applications dans les connecteurs électriques ainsi que de ses limites.
2. Aperçu de la recherche sur le cuivre au béryllium
2.1 Classification du cuivre au béryllium
Après traitement de solution et vieillissement, les alliages de cuivre au béryllium acquièrent une haute résistance, dureté et limite d’élasticité. Ils présentent une faible hystérésis, une bonne stabilité, une résistance à la fatigue, à la corrosion, à l’usure, au froid, une non-magnétisme, une excellente conductivité thermique et électrique, et ne produisent pas d’étincelles sous choc. Ils sont souvent qualifiés de « roi des matériaux élastiques non ferreux ».
Selon leurs performances, ils sont classés en :
Alliages à haute résistance et haute élasticité (teneur en Be : 1,6 % à 2,1 %)
Alliages à haute conductivité (Be : 0,2 % à 0,7 %)
Selon le mode de fabrication :
Alliages transformés par déformation : laminés, étirés en feuilles, bandes, barres, fils, utilisés dans les ressorts, contacts, commutateurs, etc.
Alliages de fonderie : à haute dureté et résistance, utilisés dans l’aéronautique, l’électronique et la mécanique (par exemple, bagues, forets, etc.).
2.2 Nuances et composition chimique
Cet article se concentre sur les alliages à haute résistance et haute élasticité. En Chine, la nuance typique est QBe2, un alliage déformable. Sa composition chimique est comparée à des nuances équivalentes au Japon et aux États-Unis :
Nuance | Pays | Be (%) | Ni (%) | Co (%) | Si (%) | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|
QBe2 | Chine | 1,9–2,2 | 0,2–0,5 | – | – | Reste |
C1720 | Japon | 1,9–2,15 | 0,2–0,25 | 0,35–0,65 | <0,15 | Reste |
C17200 | USA | 1,8–2,0 | ≥0,2 | ≥0,6 | – | Reste |
Le Ni et le Co ont un effet similaire : ils retardent le sur-vieillissement lors du traitement thermique et augmentent la résistance de l’alliage. Le C1720 japonais contient également du Si, qui, combiné au Co dans des proportions adéquates, forme des composés comme CoSi et Co₂Si renforçant le matériau. Cependant, un excès de Si peut former des phases eutectiques dures et cassantes avec le Be, réduisant ainsi la ténacité.
QBe2 est très utilisé, mais il a tendance à coller à l’outil pendant l’usinage, ce qui réduit la durée de vie de celui-ci. Pour remédier à cela, du plomb (Pb) est ajouté à l’alliage. Lors de la solidification, le Pb forme des particules dispersées faciles à rompre, ce qui améliore la fragmentation des copeaux, réduit l’adhérence et améliore la coupe.
Nuances usinables de cuivre au béryllium :
QBe1.9-0.4 (Chine) et C17300 (USA) ont la même composition.
Nuance | Be (%) | Ni+Co (%) | Ni+Co+Fe (%) | Pb (%) | Al (%) | Si (%) | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
QBe1.9-0.4 | 1,8–2,0 | ≥0,2 | ≤0,6 | 0,2–0,6 | ≤0,2 | ≤0,2 | Reste |
C17300 | 1,8–2,0 | ≥0,2 | ≤0,6 | 0,2–0,6 | ≤0,2 | ≤0,2 | Reste |
Selon la norme GB/T 5231-2012, la nuance QBe1.9-0.4 est équivalente à la C17300 américaine.
2.3 État de développement actuel
Les principaux producteurs mondiaux de cuivre au béryllium sont Brush Wellman (États-Unis) et NGK (Japon). La Chine a démarré plus tard et reste en retard technologiquement, notamment à cause d’une faible capacité de production, d’équipements obsolètes et d’un faible niveau d’automatisation.
Différences principales entre la Chine et les producteurs étrangers :
Fusion :
Étrangers : fours à induction non sous vide + dégazage à l’azote + coulée par le bas → lingots stables, peu de défauts
Chine : fusion sous vide + coulée inclinée → absorption d’oxygène, pores, inclusions, qualité instable
Laminage à chaud :
Étrangers : grandes forces de laminage, moins de passes, meilleur contrôle de la température finale, tolérances serrées
Chine : petites forces, plus de passes, refroidissement rapide, grandes tolérances
Traitement thermique :
Étrangers : fours de recuit sous atmosphère protectrice + trempe sur coussin d’air → surface brillante, propriétés constantes
Chine : fours électriques sans protection gazeuse → propriétés mécaniques instables
Cependant, la Chine a réalisé des progrès significatifs ces dernières années : de nombreux fabricants ont amélioré leurs procédés et équipements, obtenant de meilleures tolérances, apparences et propriétés. Des matériaux équivalents aux nuances C17200 et C17300 sont désormais produits et utilisés localement.
3. Perspectives d’application du cuivre au béryllium dans les connecteurs électriques
Les connecteurs électriques sont des composants essentiels dans les systèmes électroniques et électriques. Leur capacité de déconnexion est leur principale caractéristique. Le contact est la pièce la plus critique, car il assure la transmission fiable du signal électrique. Si la fiabilité du contact est compromise, le connecteur perd sa fonction.
Le choix du matériau du contact dépend de nombreuses propriétés : limite élastique, module, résistance, allongement, résistance à la fatigue. Pour éviter les déformations plastiques, pertes d’élasticité et assurer un contact sûr, on utilise généralement QBe2, une nuance à haute élasticité.
Avec les avancées technologiques, la nuance QBe1.9-0.4, plus facile à usiner, devrait progressivement remplacer QBe2.
Cependant, la production de cuivre au béryllium est coûteuse, et le béryllium est toxique. Dans les nuances usinables, le plomb est ajouté, ce qui impose des conditions de fabrication très strictes. La poussière de Be et de Pb est très dangereuse pour la santé humaine et polluante, limitant son utilisation dans les applications civiles.
4. Conclusion
Le cuivre au béryllium est largement utilisé dans les connecteurs militaires. L’élargissement de l’usage des nuances usinables est un sujet de recherche prioritaire. Parallèlement, pour des raisons de coût et d’environnement, l’identification de matériaux alternatifs pour les connecteurs civils représente une direction essentielle pour les recherches futures.
Auteurs :
Hou Jinqiu, Wang Yinglin, Sun Haihang, Han Jixian, Jiang Ruizhi, Hao Jiannan
Shenyang Xinghua Aviation Electric Co., Ltd.
Troisième bureau de représentation militaire du département de l’équipement de la Force aérienne, région de Shenyang