Diagramme d'équilibre et titre fictif

Les structures cristallographiques qui résultent de la solidification du laiton lors de la fabrication de l'alliage sont caractérisées par la combinaison de solutions solides appelées phases. La représentation de cette structure est donnée par le diagramme d'équilibre des laitons.
Ce diagramme fait ressortir le fait qu'à la température ordinaire, les laitons sont constitués d'une seule phase, la phase a, jusqu'à une teneur en zinc de 33%, qui correspond à une teneur en cuivre de 67 %.
Au-delà de cette teneur de 33 % de zinc, on trouve un mélange des deux phases a + b'.
Cette structure a + b' est conservée jusqu'à une teneur en zinc d'environ 46 %.
Pour transposer ce diagramme d'équilibre aux laitons au plomb ou, d'une façon plus générale, à des laitons comprenant d'autres éléments d'addition, il faut appliquer la notion de titre fictif établie par Léon GUILLET.
Cette théorie consiste à donner à toutes les additions faites dans le laiton cuivre-zinc une équivalence en zinc. On passera ainsi du titre réel en cuivre Cu % au titre fictif en cuivre Cu' % par la formule :
                          100
Cu' % = Cu % -----------------
                     100 + c (k-1)
formule dans laquelle :

• c est la teneur de l'élément d'addition considéré,
• k le coefficient d'équivalence de l'élément d'addition considéré.

Les coefficients d'équivalence des principaux éléments d'addition sont les suivants :

• Ni :- 1,2
• Co :- 1
• Pb :0
• Mn :0,5
• Cd :0,7
• Fe :0,9
• Sn :2
• Al :6
• Si :10

Dans le cadre d'un laiton CuZn40Pb3 par exemple, le titre fictif en cuivre de ce laiton s'établira de la façon suivante :
                  100
Cu' % = 57  ------- = 58,76
                   97

L'influence de la teneur en cuivre

La phase a, solution solide de zinc dans le cuivre, cristallise dans le système cubique à face centrées. Elle est caractérisée, à la température ordinaire, par une grande malléabilité à froid. Ses propriétés sont influencées par sa teneur en zinc : la résistance à la traction, la limite élastique et la dureté augmentent avec la teneur en zinc.
Le module d'élasticité diminue lentement avec l'augmentation de la teneur en zinc, lorsqu'on se trouve en phase a. La phase b' est stable à la température ambiante et cristallise dans le système cubique simple, avec enchevêtrement de deux réseaux, l'un de cuivre, l'autre de zinc. Cette phase b' est dure et fragile. En ce sens, elle ne permet pas de déformation à froid, et favorise donc le fractionnement des copeaux et, par conséquent, l'usinabilité du métal.
Il faut noter que la phase b' est issue de la phase b qui est stable à haute température par une transformation qui se produit aux environs de 450° C.
La phase b malléable à chaud est ainsi la phase qui caractérise les laitons de matriçage.
A la température ambiante, les propriétés des laitons biphasés varient avec les quantités relatives des deux phases a et b'. C'est dans cette structure biphasée que la résistance à la traction est maximale.

L'influence de la teneur en plomb

La teneur en plomb est un autre facteur d'usinabilité très important. Pratiquement insoluble dans le laiton à la température ordinaire, cet élément est réparti dans le métal sous forme de très petites particules sensiblement sphériques, qui réduisent très fortement la résistance aux chocs du métal.
Cette caractéristique facilite le processus de coupe en diminuant l'effort nécessaire et rend les copeaux cassants.
En raison de sa température de fusion très basse, il se constitue un film continu de plomb au point de contact entre l'outil et la barre, qui a pour effet d'améliorer le frottement et de diminuer l'abrasion de l'outil.
Le plomb intervient aussi comme lubrifiant et facilite considérablement les opérations d'usinage. Cette double action du plomb, fragmentation des copeaux et amélioration du frottement, a pour effet de favoriser le dégagement des copeaux déformés et de réduire l'usure et l'échauffement des outils.
En revanche, la quantité de plomb introduite a des limites, dans la mesure où l'augmentation de la teneur en plomb diminue les caractéristiques mécaniques. Il faut donc rechercher la teneur optimale de laquelle découle la meilleure usinabilité, sans diminution excessive des caractéristiques mécaniques.

L'influence des impuretés dissoutes :

Il est nécessaire de garder sous un contrôle étroit la quantité des impuretés métalliques dissoutes dans le métal.