Dans le système fer‑cuivre, le cuivre peut se dissoudre dans le fer fondu, formant une solution solide liquide sur une large plage de concentrations. À 1477 °C, la solubilité du cuivre dans le fer atteint 8 %, et celle‑ci augmente même lorsque la température diminue ; par exemple, à 1094 °C, elle peut atteindre 8,5 %. En dessous de 650 °C, la solubilité se rapproche d’une valeur fixe d’environ 0,35 %. À température ambiante, la solubilité du cuivre dans le fer est très faible. Que ce soit à l’état liquide ou solide, une phase riche en cuivre se forme dès que la quantité de cuivre dépasse sa solubilité à chaque température. La solubilité du cuivre dans la fonte fondue est d’environ 3 à 5 %. Les éléments présents dans la fonte, tels que le manganèse, l’aluminium ou le nickel, augmentent la solubilité du cuivre, tandis que le magnésium la réduit. En présence de magnésium, lorsque la teneur en cuivre dépasse 2 %, une phase riche en cuivre jaune contenant 97 % de cuivre précipite. Lorsque la teneur en cuivre atteint 3,8 %, le nombre de phases riches en cuivre augmente considérablement.
Le cuivre a peu d’influence sur la température de transition eutectique de la fonte. Il s’agit d’un élément faiblement graphitisant, capable de réduire légèrement la tendance à la formation de laitier blanc. Le cuivre abaisse également la température de transformation eutectoïde ; cette diminution est de l’ordre de 6 à 10 °C pour chaque augmentation de 1 % de cuivre, ce qui contribue à stabiliser l’austénite. Par ailleurs, le cuivre augmente la quantité de perlite, affine la structure eutectique et facilite l’obtention d’une microstructure perlitique lors du normalisage de la fonte. Ainsi, le cuivre favorise la transformation de l’austénite en perlite et freine la graphitisation au cours de la transformation eutectoïde. En outre, il renforce la ferrite et améliore sa résistance mécanique.
Lorsque la teneur en cuivre est inférieure à 2,0 %, son influence sur le taux de sphéroïdisation, le nombre de sphères et leur diamètre est négligeable, et le taux de sphéroïdisation peut être maintenu au-delà de 90 %. Au-delà de 2 % de cuivre, l’effet sphéroïdisant se trouve altéré : le taux de sphéroïdisation ainsi que le nombre de sphères diminuent fortement. Lorsque la teneur en cuivre atteint 2,5 %, apparaissent des graphite agglomérés et une phase riche en cuivre de couleur jaune. La température de fusion de cette phase riche en cuivre est inférieure à celle de la fonte liquide. Après la précipitation du graphite, la phase riche en cuivre peut envelopper une partie du graphite, entraînant ainsi une transformation progressive du graphite, passant de la forme sphérique à une forme agglomérée.
L’effet anti-sphéroïdisation du cuivre est lié à d’autres éléments. Par exemple, dans une fonte nodulaire au magnésium contenant 0,04 % de titane, si des graphite agglomérés apparaissent dans un acier au cuivre de grade 0,94 %, l’ajout de 0,02 à 0,03 % de cérium peut contrer cet effet anti-sphéroïdisant du cuivre.
L’influence du cuivre sur l’effet nodulisant dépend de la taille et de l’épaisseur de la pièce moulée. L’ajout de 3 à 4 % de cuivre dans une pièce d’une épaisseur de paroi supérieure à 300 mm permet d’éliminer les graphite agglomérés présents au cœur de la pièce. Il convient toutefois de préciser que cet effet du cuivre n’est efficace qu’en présence d’éléments de terres rares.
Le cuivre favorise la formation de perlite dans la fonte nodulaire ; cette perlite est dix fois plus grande que celle formée par le nickel, mais seulement un dixième de celle formée par l’étain. Dans les essais, l’ajout d’environ 0,5 % de cuivre suffit à porter la teneur en perlite d’une barre d’essai en fonte ductile de 25 mm jusqu’à 90 % ; lorsque l’on ajoute 1,5 % de cuivre, la teneur en perlite avoisine les 100 %. Toutefois, au-delà de 1,5 %, de la ferrite commence à apparaître. Cette propriété bénéfique du cuivre permet d’obtenir, sans traitement thermique, une fonte ductile perlitique coulée directement.
Effet du cuivre sur les propriétés de la fonte grise. Lorsque la teneur en cuivre est inférieure à 0,5 %, la résistance à la traction, la limite d’élasticité et le module d’élasticité augmentent, mais cette relation n’est pas linéaire. À environ 0,8 % de cuivre, la résistance atteint un niveau élevé. Cependant, avec l’accroissement de la teneur en cuivre, la ténacité à l’impact de la fonte grise diminue.
Le cuivre influence les propriétés mécaniques de la fonte nodulaire en favorisant la formation de perlite et en renforçant la matrice métallique. Lorsqu’une faible quantité de cuivre (inférieure à 0,5 %) est ajoutée, la teneur en perlite augmente fortement, tandis que la résistance à la traction, la limite d’élasticité et la dureté s’accroissent également de manière marquée, alors que l’allongement diminue nettement. Au-delà de 0,5 % d’addition, la matrice devient perlitique, mais la résistance et la dureté continuent d’augmenter, tandis que l’allongement cesse de diminuer. Cela s’explique par le renforcement de la matrice métallique assuré par le cuivre. Le cuivre exerce également une action de « sphéroïdisation fine » du graphite, ce qui améliore la résistance à la fatigue des fontes nodulaires contenant du cuivre.
La solubilité solide du cuivre dans la fonte à température ambiante est de 0,35 %. L’ajout de plus de 0,5 % de cuivre modifie la vitesse de diffusion des atomes de carbone lors des transformations austénitique et eutectoïde, favorise la formation de perlite et affine sa structure. Lors du refroidissement de la pièce, notamment pendant le vieillissement, le cuivre précipite hors de la solution solide, renforçant ainsi la matrice et améliorant sensiblement la microdureté de la perlite. Une augmentation de la teneur en cuivre peut accroître la résistance à l’usure des pièces moulées. En cas de recuit de détente des contraintes, le cuivre ne réduit pas la dureté, mais augmente même la valeur HB10.