NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

MAGAZINE

NICKEL

L A RE V UE SPÉCI A LISÉE DU NICK EL E T DE SES A PPLIC ATIONS NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

Le nickel : un acteur indispensable Aciers au nickel : un survol pour les ingénieurs

Le Garrison Crossing : quand l’acier inoxydable raccourcit les distances

Batteries de Formule E : la course à l’autonomie

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS

ÉTUDE DE CAS 15 LE PROJET D’EXTENSION EN MER DE MONACO Deuxième au classement des plus petits pays du monde et État souverain le plus densément peuplé, la Principauté de Monaco s’est plongée dans un projet ambitieux visant à gagner six hectares sur la mer tout en respectant

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS

l’environnement, pour un coût de 2,3 milliards de dollars.

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS

La construction des caissons et du quai flottant servant à leur fabrication nécessite plus de 4 000 tonnes de barres d’armature en acier inoxydable.

2 | NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

Le futur quartier de l’Anse du Portier est

depuis un quai flottant. Elle utilise

conçu pour s’intégrer naturellement au

pour cela plus de 4 000 tonnes de

paysage côtier tout en épousant les cou-

barres d’armature de 12 à 40 mm de

rants du littoral. La construction de son

diamètre fournies par la société Roldan

infrastructure maritime a été confiée à

(groupe Acerinox) et constituées

l’entreprise française Bouygues Travaux

d’acier inoxydable duplex de nuance

Publics, et sa partie immergée devrait

2304 (UNS S32304), choisi pour sa

être achevée d’ici 2020.

haute résistance à la corrosion par les

Le fond de la mer a été dragué, puis remblayé avec des roches de carrière, qui serviront d’appui à la ceinture de

chlorures de l’eau de mer, ainsi que pour sa durabilité propre à prévenir un entretien coûteux dans le futur.

18 caissons en béton destinée à protéger

Le nouveau quartier de l’Anse du

le futur terre-plein. Ces énormes

Portier, qui devrait être achevé

caissons de 10 000 tonnes mesurant

d’ici 2025, comprendra des villas et

30 m de long sur 24 m de haut sont

immeubles d’appartements hébergeant

remorqués jusqu’à Monaco depuis le

un millier d’habitants, ainsi qu’un parc

port de Marseille, où l’entreprise franco-

paysagé, une promenade littorale et une

espagnole SENDIN les préconstruit

marina.

ÉDITORIAL L’ACTEUR INDISPENSABLE QUI DONNE VIE À TANT DE CRÉATIONS Le nickel occupe rarement la vedette, mais sous ses différentes formes, il tient des seconds rôles spectaculaires ; de manière tantôt évidente, tantôt subtile, mais toujours en faisant resplendir les procédés techniques et leurs produits.

BRUCE WOOD, USDA-ARS, BYRON (GÉORGIE)

Les rôles du nickel sont on ne peut plus naturels. Tous ses pouvoirs résident dans ses qualités inhérentes, comme son rôle méconnu d’oligo-élément.

La croissance vigoureuse d’une branche traitée contraste nettement avec l’aspect rabougri d’un feuillage privé d’appoint de nickel.

Le caractère essentiel du nickel est peu connu, à l’exemple du fait que certaines cultures bénéficient d’un engrais contenant des traces de cet élément. De même, dans l’esprit du public, la place des batteries nickel-hydrure métallique et nickel-cadmium est occultée par la vogue du lithium. Ce qui est mal compris, c’est que le nickel conditionne le succès révolutionnaire des couples électrochimiques des accumulateurs lithium-ion qui occupent le devant de la scène dans les systèmes de stockage d’énergie modernes.

Le nickel joue aussi un petit rôle discret dans les mousses de superalliage thermorésistantes capables d’atténuer le bruit des réacteurs d’avion et de rendre ainsi la vie plus supportable autour des aéroports.

Les équipements cryogéniques, tels que les réservoirs de stockage et de transport du GNL, utilisent un acier contenant 9 % de nickel.

Même les aciers inoxydables au nickel, déjà omniprésents, trouvent de nouveaux emplois qui rendent plus efficace et plus durable le fonctionnement des machines et des procédés.

Cela dit, il est temps de mettre en relief la diversité des alliages d’acier au nickel autres que l’acier inoxydable proprement dit. À eux tous, ils sont essentiels à des milliers de solutions techniques, et il est important de présenter les caractéristiques qui les distinguent, ainsi que des exemples de leurs différentes utilisations.

Le nickel joue de nombreux rôles. Résistant et ductile. Conducteur et magnétique... ou non. À température haute ou basse… ou aux deux. Sous forme solide, dissoute ou alliée. Et essentiel à la vie. Les vedettes passent et puis s’en vont, mais l’acteur indispensable demeure dans ses multiples rôles et facultés.

Clare Richardson Rédactrice en chef

NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019 | 3

02

Étude de cas 15 Le projet d’extension de Monaco

03

Éditorial Un acteur indispensable

04

En bref

06

Le Garrison Crossing

NICKEL

E N B R E F

SOMMAIRE

Quand l’acier inoxydable raccourcit les distances

08

Aciers au nickel

Au service des médicaments

Moins de bruit, S. V. P.

et des vaccins

Une nouvelle mousse de superalliage promet de réduire le vrombissement

Les bioréacteurs à usage unique

des moteurs d’avion. Une équipe de l’agence de recherche scientifique et

L’ingrédient discret

12

14

Courses de Formule E Des batteries qui durent

technologique de Singapour (A*STAR) a montré comment des mousses de polymère ordinaires pouvaient servir de matrice pour créer des mousses de superalliage métallique à la fois thermorésistantes et capables d’atténuer le bruit des réacteurs. Les chercheurs ont recouvert une mousse de polymère d’une

15

Nouvelles publications

15

Codes UNS

mousse métallique à alvéoles ouvertes présentant la même structure que la

16

Storelgen

ont montré que plus les pores étaient petits, plus le trajet de l’onde sonore

Le grand élan norvégien

à travers le matériau était long et difficile, et plus ce dernier avait le temps

bouillie de superalliage au nickel, puis ont brûlé le polymère pour obtenir une matrice polymérique de départ. Les essais acoustiques des mousses métalliques

d’amortir celle-ci en la convertissant en chaleur, selon un phénomène appelé effet thermovisqueux.

La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org Collaborateurs : Gary Coates, Richard Matheson, Bruce McKean, Geir Moe, Kim Oakes, Nigel Ward, Odette Ziezold

Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y fier pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard.

ISSN 0829-8351 Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group Photos et graphisme : Couverture : Shutterstock©Wojciech Wrzesien p. 3 : Shutterstock.com©Alexyz3d p. 8 : iStockPhoto.com©Bet_Noire p. 9 : iStockPhoto.com©umenie p. 11 : iStockPhoto.com©mypokcik, iStockPhoto.com©antpkr p. 16 : Shutterstock©mariusz.ks

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© 2018 SINGAPORE INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY

Conception : Constructive Communications

Une idée lumineuse Dans le bourg japonais de Namie, près de Fukushima, le constructeur automobile Nissan et sa filiale 4 R Energy transforment des batteries de voiture électrique usagées en réverbères solaires. Ils ont ainsi découvert un moyen innovant de

PROJET « LUMIÈRE RENAISSANTE » DE NISSAN

recycler ces batteries riches en nickel, manganèse, cobalt et lithium. Ce projet, baptisé « Lumière renaissante », s’inscrit dans le cadre des efforts de redressement de cette région dévastée par le tremblement de terre et le tsunami de 2011. Il offre aux habitants un nouveau type d’éclairage public alimenté par des panneaux solaires couplés à des batteries de Nissan Leaf usagées. Dans le cadre de la revitalisation de la ville, ces réverbères autonomes remarquablement esthétiques éclairent des lieux non raccordés au réseau électrique.

Un peu de nickel pour la santé du pacanier Voici une solution de plus en plus utile face aux dérèglements du climat. Dans le sud-est des États-Unis, grand producteur de noix de pécan, les printemps plus frais et les retards de réchauffement entraînent l’apparition de défauts appelés « oreilles de souris » dans le feuillage en développement du pacanier. En fait, cette affection résulte d’une carence en nickel, car les sols plus froids limitent l’absorption racinaire de cet élément indispensable à la santé du feuillage. Elle se manifeste par les symptômes suivants : arrondissement ou épointement, voire nécrose, de l’extrémité des folioles ; réduction de la taille des feuilles et des folioles ; rabougrissement des organes de l’arbre ; mauvais développement des systèmes racinaires ; retard dans l’éclosion des bourgeons. La bonne nouvelle, c’est que les pacaniers n’ont pas besoin de beaucoup de nickel et que le problème peut se prévenir chaque année en surveillant la température du sol et en pulvérisant une solution contenant du nickel sur le feuillage lorsque cela s’avère nécessaire.

Alors que la NASA a officialisé la mise hors service de son astromobile martienne Opportunity le 13 février 2019, on se souviendra de sa longévité inespérée face à des conditions particulièrement rigoureuses. Déployée en 2004 et surnommée « Oppy », elle a effectué et transmis des mesures pendant 14 ans.

Alimentée par des panneaux solaires, elle stockait l’énergie excédentaire dans des batteries lithium-ion pour s’en servir lors des pointes de consommation électrique. En raison du succès prolongé d’Opportunity, le couple électrochimique des batteries d’astromobile n’a guère changé pendant ses premières années de service. Ce n’est qu’avec la mission InSight, lancée en novembre 2018, que la cathode nickel-oxyde de cobalt utilisée dans les batteries lithium-ion d’Oppy a été supplantée par une cathode nickel-cobalt-aluminium offrant de meilleures performances.

NASA/JPL/UNIVERSITÉ CORNELL

THOMASCOUNTYAG.COM

Une longue vie sur Mars

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LE GARRISON CROSSING : QUAND L’ACIER INOXYDABLE RACCOURCIT LES DISTANCES

PEDELTA (RENDU EN VUE AÉRIENNE)

Situé juste à l’ouest du cœur de centre-ville de Toronto (Ontario), le site historique de Fort York est une oasis de calme qui s’étend sur 17,4 ha au milieu d’une ville effervescente. En 1793, à la fondation de la ville d’York, une garnison s’installa sur le site pour défendre son port. Bien qu’il s’agisse aujourd’hui d’une grande attraction touristique, le fort et l’espace vert adjacent, appelé Garrison Common, sont très appréciés des Torontois. Cependant, piétons et cyclistes ne pouvaient y accéder que par un pont routier à forte densité de circulation enjambant deux grands faisceaux de voies ferrées.

Les deux passerelles entièrement en acier inoxydable du Garrison Crossing constituent une première en Amérique du Nord, même si ce matériau y était déjà employé dans la structure d’autres passerelles pour piétons et dans les barres d’armature de nombreux ponts routiers en béton.

L’acier inoxydable duplex de nuance 2205, qui contient du nickel, a été sélectionné pour sa haute résistance à la corrosion face aux sels de voirie.

6 | NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

Un appel d’offres a été lancé pour la construction d’une paire de passerelles cyclopiétonnières (désormais appelée Garrison Crossing), et un consortium dirigé par Dufferin Construction l’a remporté. Pedelta, un cabinet international d’ingénierie des structures connu pour ses réalisations innovantes, a proposé de construire des passerelles entièrement en acier inoxydable, ce qui constitue une première en Amérique du Nord. C’est l’alliage duplex de nuance 2205 (UNS S32205) qui a été choisi, non seulement pour sa grande résistance aux contraintes et ses autres propriétés essentielles dans les climats froids, mais aussi pour sa forte résistance à la corrosion face aux sels de voirie. Tout au long de sa grande durée de vie, ce matériau se passe de peinture et ne nécessite que très peu d’entretien. Juan Sobrino, président de Pedelta et principal concepteur du projet, explique : « Comme j’ai eu recours à l’acier inoxydable pour de nombreux ponts en Europe, je savais très bien comment en faire un usage structural pour le projet du Garrison Crossing ». Il y avait plusieurs difficultés à surmonter. En Amérique du Nord, aucun code de calcul

des ponts ne mentionne les aciers inoxydables, si bien qu’il a fallu convaincre les autorités que l’ouvrage proposé était à la fois sûr et rentable. Il convenait d’établir une convergence de vues et un haut degré de coordination entre tous les partenaires. L’AISC (American Institute of Steel Construction) a publié en 2013 un guide de conception des structures en acier inoxydable, et il existe également un code européen de calcul des structures.

La fabrication des différents éléments constituait bien sûr un volet essentiel du projet. Elle a été confiée à Mariani, une entreprise locale de construction métallique. Celle-ci avait utilisé de l’acier inoxydable dans la réalisation de quelques ouvrages spectaculaires, comme l’United States Air Force Memorial, situé en bordure de Washington. Cependant, même si elle avait déjà une certaine expérience des ouvrages faisant intervenir l’acier inoxydable duplex, le Garrison Crossing nécessitait environ 350 tonnes d’alliage de nuance 2205 et constituait ainsi son projet le plus ambitieux avec ce matériau. Vince Mariani, président et fondateur de l’entreprise, en témoigne :

MARIANI METAL FABRICATORS

PEDELTA, INTERIOR VIEW RENDER

« Nous étions conscients dès le départ des difficultés à surmonter, notamment en ce qui concerne les étroites tolérances d’épaisseur et de planéité des plaques, la propreté à maintenir dans l’atelier et sur le site, ainsi que la rigueur du cahier des charges à respecter pour les soudures. » Comme le fini de surface de l’acier joue

Les passerelles sont désormais en place et les dernières finitions sont en cours.

Ces ouvrages d’art sont certes élégants, mais ils constituent avant tout un moyen de rapprocher les habitants des différents quartiers de manière écologique et durable.

À gauche : Vue d’artiste des passerelles achevées.

En haut : Fabrication de l’une des passerelles dans l’atelier de Mariani.

En bas : Passerelle en place avant l’installation des garde-corps.

E.S. FOX LIMITED

un rôle déterminant, toutes les pièces ont

fait l’objet d’un microbillage. Même les garde-corps sont en acier duplex 2205.

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DURS, TENACES ET RÉSISTANTS : LES ACIERS INOXYDABLES AU NICKEL RÉPONDENT AUX ATTENTES DE BIEN DES FAÇONS La plus grande partie de la production de nickel est destinée à la fabrication des aciers inoxydables. Cependant, une part importante (8 %) sert à produire des aciers alliés possédant certaines caractéristiques essentielles à des applications spéciales souvent indispensables.

Les aciers faiblement alliés pour trempe s’utilisent notamment pour les vilebrequins, les engrenages et les trains d’atterrissage, qui tirent tous parti de sa teneur en nickel.

Lame de cisaille en acier à outils trempé à l’air

Les aciers alliés constituent un large éventail de matériaux à base de fer. Leur teneur en nickel peut être très faible, d’environ 0,3 % dans certains cas, mais peut atteindre jusqu’à 20 % pour les aciers maraging. Chacun de ces alliages est conçu pour combiner certains avantages de dureté, de ténacité ou de résistance aux contraintes ou à l’usure par rapport aux aciers au carbone ordinaires. Ils s’emploient généralement dans les dispositifs qui servent à transmettre un effort ou à découper ou mettre en forme des métaux, ou encore dans ceux qui s’utilisent à basse température, où les aciers au carbone n’offrent pas une ténacité suffisante. Pour simplifier, les aciers alliés peuvent aussi se répartir en plusieurs types offrant chacun certaines propriétés destinées à des usages particuliers. Les aciers alliés au nickel sont également essentiels à la construction des outils et machines

servant à en fabriquer d’autres (voir le tableau de la page 9).

Acier faiblement allié pour trempe Les aciers faiblement alliés pour trempe offrent des propriétés mécaniques supérieures à celles des aciers au carbone ordinaires. Pour obtenir ces propriétés, on ajoute des éléments tels que le nickel, le chrome et le molybdène à la masse d’acier avant de la soumettre à un refroidissement rapide appelé trempe, puis à un traitement thermique moins intense appelé revenu. Les éléments dissous dans l’austénite avant la trempe accroissent la trempabilité de l’alliage. Le nickel complète l’effet de trempe produit par le chrome et le molybdène et joue un rôle important en conférant de la ténacité à la microstructure martensitique durcie résultant du traitement thermique par trempe et revenu (voir le tableau ci-dessous).

MILWAUKEESHEARBLADE

Comparaison des caractéristiques mécaniques types de l’acier faiblement allié AISI 4340 (traité par recuit ou par trempe et revenu) et de l’acier au carbone AISI 1045.

Barre ronde de diamètre 75 mm AISI 4340 recuit AISI 4340 ASTM A434 classe BD AISI 1045 normalisé

8 | NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

Limite d’élasticité MPa (ksi)

Résistance à la traction MPa (ksi)

Pourcentage d’allongement

588 (86)

752 (110)

21

847 (124)

963 (141)

18

410 (60)

629 (92)

22

Acier à outils Les aciers à outils forment toute une palette d’aciers conjuguant haute dureté et résistance à l’abrasion, utilisés notamment pour la fabrication des moules et des outils de matriçage (estampage ou extrusion), de coupe, de cisaillage ou de percussion (tels que marteaux à main ou industriels). Leur traitement thermique est similaire à celui des aciers faiblement alliés pour trempe.

La trempe à l’air des aciers à outils crée moins de distorsion que le refroidissement rapide d’une trempe à l’eau et leur confère un équilibre entre résistance à l’usure et ténacité.

Les aciers à outils pour moules de plasturgie sont des aciers doux (à faible teneur en carbone) dont la mise en forme est suivie d’une cémentation (carburation), d’une trempe et d’un revenu qui confèrent une grande dureté à leur surface et en font ainsi le matériau idéal pour le moulage des plastiques par injection ou par coulée.

Acier faiblement allié à haute résistance (acier patinable) Les aciers patinables sont plus résistants que les aciers au carbone ordinaires grâce à la plus grande finesse de leur grain, qui s’obtient en agissant sur les températures de transformation de manière que la

L’acier maraging à 18 % de nickel possède la résistance à la fatigue par chocs répétés requise pour les trains d’atterrissage.

Composition chimique type de quelques aciers alliés au nickel intéressants.

Type d’acier

Nuance (UNS)

C

Ni

Cr

Fe

Autres

Applications

AISI 4340 (G43400)

0,4

1,8

0,8

restant

Mo

Engrenages de transmission, arbres mécaniques, trains d’atterrissage

AISI 4320H (H43200)

0,2

1,8

0,5

restant

Mo

Roues et pignons dentés résistant à l’usure grâce à une trempe superficielle, mais conservant un cœur tenace

AR450

0,26

0,70

1,0

restant

Mo

Plaques résistant à l’abrasion pour grilles, glissières, revêtements de benne, éléments de protection balistique

Acier à outils pour trempe à l’air

A9 (T30109)

0,5

1,5

5,0

restant

Mo, V

Matrices d’étirage, d’emboutissage ou de formage, lames de cisaille

Acier à outils pour moules de plasturgie

P6 (T51606)

0,1

3,5

1,5

restant

Acier faiblement allié à haute résistance (acier patinable)

A588 Gr C (K11538)

0,1

0,35

0,5

restant

Acier au nickel

Acier à 9 % de nickel (K81340)

0,13

9,0

-

restant

Acier maraging

Maraging 300 (K93120) 0,03

18,5

-

restant

Faiblement allié pour trempe

Matrices de coulée sous pression des alliages de zinc et de moulage des plastiques par injection

Cr, Cu, V

S’utilise pour la construction des ponts en raison de son rapport résistance-poids supérieur à celui de l’acier au carbone ordinaire et de sa plus grande résistance à la corrosion Équipements cryogéniques tels que réservoirs de GNL

Co, Mo, Al, Ti

Enveloppes de moteurs-fusées, cellules d’aéronefs, arbres de transmission, trains d’atterrissage, moules à injection, matrices

NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019 | 9

conversion de l’austénite en ferrite et en perlite ait lieu à plus faible température lors du refroidissement à l’air. Aux faibles teneurs en carbone typiques de ces aciers, certains éléments tels que le silicium, le cuivre, le nickel et le phosphore ont un effet particulièrement efficace pour produire une perlite fine.

Les propriétés intéressantes des aciers maraging sont surtout les suivantes :

L’ajout de chrome, de cuivre et de nickel entraîne avec le temps la formation d’une couche de rouille stable et beaucoup moins poreuse que celle qui se forme à la surface d’un acier de construction ordinaire. Il en résulte une vitesse de corrosion beaucoup plus faible qui permet d’utiliser ces aciers à nu.

• Ultra-haute résistance à température ambiante ; • Traitement thermique simple n’entraînant qu’une distorsion minime ; • Ténacité supérieure à celle des aciers pour trempe et revenu de résistance similaire ;

Le tableau figurant en bas de page permet de comparer les propriétés mécaniques de deux aciers de construction : l’acier au carbone ASTM A36 et l’acier patinable ASTM A588 de nuance C.

• Facilité de fabrication et bonne soudabilité.

Figure 1. Effet du nickel sur la ténacité de plaques d’un demipouce (12,7 mm) en acier doux normalisé et trempé.

81,3 Ni

5%

27,1

0%

20

Ni

2, 2

3,

54,2

Ni

Joules

40

Ni

9%

5%

Essai Charpy (entaille en trou de serrure) Pieds-livres*

60

0

-300 -200 (-185) (-129)

-100 0 (-73) (-18)

Température en °F (°C) * 1 pied-livre = 0,139 mètre-kilogramme

100 (38)

0

Acier au nickel Les aciers ferritiques à forte teneur en nickel (le plus souvent supérieure à 3 %) s’emploient largement dans les éléments exposés aux températures allant de 0 °C à -196 °C, tels que les réservoirs de stockage d’hydrocarbures gazeux liquéfiés, ainsi que dans les machines et structures conçues pour les régions froides. La teneur en nickel de ces aciers a pour effet de réduire leur température de transition ductile-fragile et d’améliorer ainsi leur ténacité à basse température.

En dessous d’un seuil de 24 °C, au fur et à mesure que la température baisse, les aciers au carbone et la plupart des aciers faiblement alliés gagnent en résistance et en dureté, mais subissent une perte de ténacité et de ductilité en traction.

Or, il s’avère que l’ajout de nickel résout ce problème en améliorant la ténacité à basse température des alliages, comme le montrent les résultats de l’essai de résilience Charpy (voir figure 1).

L’acier à 9 % de nickel a été employé

Acier maraging Les aciers maraging (durcis par vieillissement de la martensite) sont des alliages fer-nickel à faible teneur en carbone contenant environ 18 % de nickel ainsi que du cobalt, du molybdène, du titane et d’autres éléments. Ces alliages sont rendus martensitiques par une trempe avant de faire l’objet d’un traitement thermique de revenu entre 480 °C et 500 °C, appelé vieillissement, qui entraîne une précipitation de composés intermétalliques tels que Ni3Mo et Ni3Ti et produit ainsi un durcissement structural. Ces aciers possèdent une haute ténacité, et leur résistance à la fatigue par chocs répétés les rend utiles dans les situations faisant intervenir des charges dynamiques récurrentes comme celles que subissent les composants électromécaniques. La température relativement faible du traitement thermique entraîne beaucoup moins de distorsion que dans le cas des aciers faiblement alliés pour trempe, ce qui rend les aciers maraging intéressants pour les pièces longues de faible épaisseur.

Bien que la production de ces aciers alliés utilise moins de nickel que celle des aciers inoxydables, ils se distinguent par leur grande variété et par leur importance dans les réalisations industrielles qu’ils rendent possibles.

Pour aider les ingénieurs et les rédacteurs de cahiers des charges à déterminer quels matériaux conviennent le mieux pour leurs applications, le Nickel Institute offre des conseils techniques gratuits (www.nickelinstitute.org).

Comparaison des propriétés mécaniques de deux aciers de construction : l’acier au carbone ASTM A36 et l’acier patinable ASTM A588 de nuance C. Limite d’élasticité MPa (ksi) min.

Résistance à la traction MPa (ksi) min.

Pourcentage d’allongement min.

ASTM A36

250 (36)

400 (58)

23

ASTM A588 Gr C

345 (50)

485 (70)

21

Nuance

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pour la première fois en 1952 dans les enceintes de confinement de l’oxygène liquide. Depuis, il sert surtout à fabriquer la paroi intérieure des réservoirs de gaz naturel liquéfié (GNL). Il y supplante les aciers inoxydables austénitiques, car il offre à la fois une haute résistance et une ténacité fiable jusqu’à de très basses températures (-196 °C).

GLOSSAIRE L’austénite est la structure cristalline de

de l’acier consiste en une matrice de

l’acier au-dessus de 727 °C. Il s’agit d’une

ferrite renfermant des îlots de perlite.

solution solide non magnétique de fer et de carbone.

La trempabilité d’un acier est son aptitude à acquérir une certaine dureté à

La cémentite est un composé de fer et de

une profondeur donnée sous l’effet d’un

carbone de formule Fe3C. L’accroissement

refroidissement rapide appelé trempe.

de la teneur en carbone de l’acier entraîne une augmentation de sa teneur en cémentite et en perlite et s’accompagne d’un gain de résistance. Cette carburation est le moyen le plus simple d’améliorer la résistance mécanique et la dureté de l’acier, mais ce gain de résistance s’accompagne d’une perte de ténacité.

Remarque : La réduction de la taille des grains fait aussi augmenter la résistance mécanique, mais sans que cela s’accompagne d’une perte de ténacité.

L’essai Charpy est un essai normalisé visant à mesurer la quantité d’énergie absorbée par une éprouvette métallique de taille standard au moment de sa rupture.

La ferrite est la structure cristalline de l’acier en dessous de 727 °C. Comme la ferrite ne peut pas contenir autant de carbone dissous que l’austénite, le passage en dessous de 727 °C s’accompagne d’une libération de carbone excédentaire qui enrichit l’austénite résiduelle pour

La martensite est une structure cristalline de l’acier qui se forme sous l’effet d’une trempe produisant un refroidissement si rapide que les atomes de carbone contenus dans l’austénite n’ont pas le temps de se diffuser en quantité suffisante hors de celle-ci pour former de la cémentite. L’austénite se transforme alors en une structure sursaturée en carbone présentant une forte tension interne qui accroît la résistance mécanique et la dureté de l’ensemble.

La perlite est une structure lamellaire constituée de couches de ferrite et de cémentite alternées.

Le durcissement structural est une technique de traitement thermique consistant à augmenter la résistance mécanique ou la dureté d’un métal malléable en provoquant une précipitation de fines particules de composés dits intermétalliques qui raidissent sa structure cristalline.

former de la cémentite, après quoi celle-ci

La ténacité d’un matériau est sa capacité

s’agrège en lamelles alternées avec la

à absorber de l’énergie par déformation

ferrite pour former de la perlite. Ainsi, à

plastique et de résister ainsi à la rupture

température ambiante, la microstructure

lorsqu’il est soumis à des contraintes.

L’acier maraging est un matériau haute performance pouvant constituer la face, voire toute la tête, des clubs de golf haut de gamme.

NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019 | 11

LES ACIERS INOXYDABLES AU SERVICE DES MÉDICAMENTS ET DES VACCINS : POUR UNE PRODUCTION PLUS AGILE ET PLUS DIVERSIFIÉE

GE HEALTHCARE

Le secteur des biomédicaments (constitués de molécules complexes produites à partir de sources vivantes telles que micro-organismes, végétaux ou cellules animales) est en plein essor. Les aciers inoxydables au nickel rendent leur production économiquement viable dès qu’elle dépasse 2 à 3 tonnes par an.

En dessous de ce seuil, il est plus rentable d’utiliser des éléments techniques à usage unique.

Les biotechnologies apportent un moyen de produire des médicaments à la fois plus spécialisés et plus puissants. Elles ont ouvert la voie à une diversification des spécialités pharmaceutiques, mais avec des lots de production restreints nécessitant des procédés plus souples pour s’adapter plus rapidement aux fluctuations de la demande.

Ci-dessus : Le bioréacteur à agitation mécanique Xcellerex™ de GE Healthcare.

Les éléments techniques à usage unique donnent aux fabricants la possibilité de démarrer une nouvelle campagne de production à brève échéance ou de passer à une autre en peu de temps, ce qui leur permet de s’adapter rapidement à l’évolution des besoins du marché.

Et en réduisant le besoin d’ouvrir l’enceinte de traitement, ils diminuent aussi le risque de contamination.

12 | NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

Ce besoin a engendré la mise au point d’un nouveau mode de fabrication utilisant des bioréacteurs à revêtement interne à usage unique. Les bioréacteurs sont des appareils servant à cultiver des organismes (levures, bactéries ou cellules animales) en conditions contrôlées.

Comme leur revêtement interne est en contact avec le produit, ils sont généralement constitués d’acier inoxydable de nuance 304L (UNS S30403). Ils s’utilisent de plus en plus dans les procédés industriels destinés à produire des biomédicaments (ainsi que leurs biosimilaires), des vaccins ou des anticorps, ou encore à réaliser des thérapies géniques ou cellulaires.

Dans les bioréacteurs à revêtement interne à usage unique, les cuves en acier inoxydable sont revêtues de polyéthylène de qualité médicale pour la production

d’un lot d’une molécule donnée. Ce revêtement est éliminé et remplacé après chaque lot. Ainsi, une même cuve d’acier inoxydable peut servir à fabriquer différentes molécules par petits lots. Autrefois, le passage d’un produit à un autre nécessitait de nettoyer l’appareil à fond ou d’en construire un nouveau. En biotechnologie, comme il est extrêmement important d’éviter toute contamination, le nettoyage peut prendre trois ou quatre jours et nécessite d’énormes quantités d’eau. Le revêtement amovible élimine ou réduit à un minimum le nettoyage à effectuer avant d’utiliser le bioréacteur pour fabriquer un produit entièrement différent. Cela augmente le taux d’utilisation du matériel en diminuant son temps d’immobilisation.

Le futur des bioréacteurs à revêtement interne à usage unique La demande de nouveaux médicaments et composés chimiques produits en petits lots devrait poursuivre son essor dans l’avenir, et il s’avère de plus en plus que les bioréacteurs à revêtement interne à usage unique apportent la solution souple et modulable qui convient pour y répondre de manière pratique. Comme ils ont l’avantage de réduire les besoins de

GE HEALTHCARE

À gauche : Le bioréacteur à agitation mécanique Xcellerex™ de GE Healthcare.

nettoyage et de stérilisation à la vapeur, de diminuer la consommation d’eau et d’énergie, d’assouplir la configuration des équipements et d’améliorer le rendement du capital investi, ces bioréacteurs permettent aussi de construire davantage d’installations dans les marchés émergents et ainsi de répartir la production.

La nuance de choix Tout mode de production des produits pharmaceutiques doit avant tout assurer leur innocuité, leur pureté et leur puissance. De ce point de vue, l’acier inoxydable au nickel joue un rôle

important et rentable dans la fabrication du matériel idoine en conférant aux appareils et à leurs conduites des surfaces lisses et faciles à nettoyer, à assainir et, si nécessaire, à décontaminer. Dans l’industrie pharmaceutique, les nuances de choix sont généralement celles de l’acier 316 (S31600), pour le matériel de traitement en contact avec les réactifs, et de l’acier 304 (S30400), pour les éléments de structure. Toutes deux conviennent parfaitement à la fabrication des systèmes complexes.

La FlexFactory ouvre la voie Les biomédicaments sont des produits protéiques de plus en plus utilisés dans le traitement de nombreuses maladies telles que les cancers, la polyarthrite rhumatoïde, le diabète et les troubles de la coagulation. La demande mondiale de biomédicaments connaît un essor rapide sous l’effet combiné du vieillissement de la population et de l’avancée des traitements ciblés avec précision. Pour y répondre, Parrish Galliher, directeur de la technologie des bioprocédés amont à la division des sciences de la vie de GE Healthcare, s’est appuyé sur les techniques à usage unique modernes pour concevoir la FlexFactory, qui donne aux producteurs un accès rapide à des procédés de biofabrication essentiels pouvant être adaptés aux installations nouvelles ou existantes, ainsi que la souplesse nécessaire pour modifier les différents procédés au fur et à mesure de l’évolution des besoins de production, voire pour mettre en place une chaîne de fabrication entièrement nouvelle dans un délai de neuf à douze mois. « Dans le passé, il fallait commencer la construction d’une usine cinq ans à l’avance, parce que c’était le temps que ça prenait, et cinq ans, c’est une éternité dans les biotechnologies », explique M. Galliher. « Les médicaments changent et se succèdent pour toutes sortes de raisons et, en vérité, la moitié des installations étaient obsolètes avant même d’être terminées ; ainsi va le rythme du changement dans notre secteur. »

Les bioréacteurs à revêtement interne à usage unique ont l’avantage de : • r éduire la nécessité d’entreprendre de longues et coûteuses opérations de nettoyage, stérilisation et validation entre les lots ; •d iminuer la quantité de déchets solides ; • c ontribuer à augmenter la capacité de production annuelle ; • f aire baisser les coûts d’investissement et d’exploitation ; • r endre la mise en place du procédé plus souple et plus rapide, ce qui permet d’accélérer le lancement des campagnes de production et d’en changer en peu de temps ; •d iminuer le délai de réaction aux changements subits des besoins du marché ; • r éduire à un minimum le risque de contamination, car tous les éléments en contact avec les matières traitées sont contenus dans des enceintes jetables.

NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019 | 13

MCLAREN AUTOMOTIVE LIMITED

BATTERIES DE VÉHICULES ÉLECTRIQUES : LA COURSE À L’AUTONOMIE

La Formule E captive l’attention des grands constructeurs automobiles mondiaux.

Depuis sa conception en 2011 et son lancement à Pékin en septembre 2014, le championnat de course automobile tout électrique Formule E a rapidement séduit un public de plus de 200 millions de spectateurs, tandis que la vitesse maximum des bolides est passée de 220 à 299 km/h et que leur l’autonomie a plus que doublé.

Une course à l’innovation dans les batteries

ion d’une capacité de 28 kWh. La fabrication des batteries a d’abord été confiée à « Il semble que, d’une manière ou d’une autre, McLaren soit parvenue à réaliser l’impossible en portant le nombre de cellules par voiture de 165 à 209, en repoussant les contraintes de poids et en faisant presque doubler la densité d’énergie.

l’écurie Williams. Aujourd’hui, cette tâche

Beaucoup aimeraient bien savoir comment ils y sont arrivés. »

des batteries de Formule E de McLaren,

— Global Mining Observer

incombe à McLaren Applied Technologies, dont la nouvelle batterie de 54 kWh stocke presque deux fois plus d’énergie utilisable, si bien que les pilotes n’ont plus besoin de changer de voiture pendant la course. La composition chimique exacte comme de celles de Williams, est un secret technique bien gardé, mais l’une des possibilités est que McLaren ait amélioré la densité d’énergie au moyen d’un couple électrochimique utilisant huit parts de nickel pour une part de cobalt et une part

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG

ABONNEZ-VOUS pour recevoir gratuitement un exemplaire imprimé de la revue Nickel en anglais ou un avis par courriel dès la parution d’un nouveau numéro. www.nickelinstitute.org LISEZ la revue Nickel (disponible en ligne en plusieurs langues). www.nickelinstitute.org/library/ CONSULTEZ LES ANCIENS NUMÉROS de la revue Nickel dans nos archives en ligne, qui remontent jusqu’à juillet 2009. www.nickelinstitute.org/library/

de manganèse (proportions 8-1-1).

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Il pourrait s’écouler bien des années avant

JOIGNEZ-VOUS À NOUS sur LinkedIn, en visitant la page du Nickel Institute.

que le secret des batteries McLaren soit connu ; alors jusque là, autant prendre plaisir à suivre ce sport passionnant qui inspire l’innovation.

14 | NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019

NICKEL

EN

s’agissait à l’origine de batteries lithium-

LIGNE

Les écuries de Formule E doivent toutes utiliser des batteries de même type, et il

VISIONNEZ les vidéos de la chaîne YouTube du Nickel Institute : www.youtube.com/user/NickelInstitute

NOUVELLES PUBLICATIONS Le Nickel Institute a publié la version nouvellement révisée de deux guides techniques conçus pour faciliter l’utilisation efficace des matériaux au nickel. des alliages de nickel, ainsi que l’emploi de couches résistantes à la corrosion obtenues par recouvrement de soudure, par revêtement ou par rechargement.

La version entièrement révisée du guide d’assemblage par soudage des éléments en alliages de nickel résistants à la corrosion, destiné aux soudeurs, aux ingénieurs en génie des matériaux et aux ingénieurs concepteurs, est disponible en anglais sous le titre Guidelines for the welded fabrication of nickel alloys for corrosion-resistant service (11 012). Pour les soudeurs, il adopte une démarche axée sur les réalisations pratiques. Pour les ingénieurs en génie des matériaux, il constitue un outil de référence utile présentant les différents types d’alliages de nickel et leurs caractéristiques métallurgiques, ainsi que les inspections non destructives utiles pour contrôler la qualité de fabrication.

Pour les ingénieurs concepteurs, il aborde les éléments à prendre en compte pour optimiser la résistance à la corrosion

CODES UNS UNS

Le guide de sélection des alliages utilisés au contact du chlore, du chlorure d’hydrogène et de l’acide chlorhydrique, disponible en anglais sous le titre Alloy selection for service in chlorine, hydrogen chloride and hydrochloric acid (10 020), présente les effets de ces produits chimiques sur un large éventail de matériaux, notamment les aciers inoxydables ou non, les alliages de nickel, les alliages de cuivre, le titane, le zirconium et le tantale, et ce dans différentes conditions. Cette publication technique entièrement révisée sera utile aux ingénieurs en génie des matériaux. À télécharger gratuitement sur www.nickelinstitute.org.

Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).

Al

C

Co

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

Ti

V

S30400 p. 13

-

0,03 max.

-

18,0 à 20,0

-

restant

2,00 max.

-

0,10 max.

8,0 à 12,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

-

-

S30403 p. 12

-

0,08 max.

-

18,0 à 20,0

-

restant

2,00 max.

-

0,10 max.

8,0 à 10,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

-

-

S31600 p. 13, 16

-

0,08 max.

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16,0 à 18,0

-

restant

2,00 max.

-

0,10 max.

10,0 à 14,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

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S32304 p.2

-

0,03 max.

-

21,5 à 24,5

0,05 à 0,60

restant

2,50 max.

0,05 à 0,60

0,05 à 0,20

3,0 à 5,5

0,040 max.

0,030 max.

1,00 max.

-

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S32205 p. 6

-

0,030 max.

-

22,0 à 23,0

-

restant

2,00 max.

3,00 à 3,50

0,14 à 0,20

4,50 à 6,50

0,030 max.

0,020 max.

1,00 max.

-

-

G43400 p. 8

-

0,37 à 0,43

-

0,70 à 0,90

-

restant

0,60 à 0,80

0,20 à 0,30

-

1,65 à 2,00

0,035 max.

0,040 max.

0,15 à 0,30

-

-

H43200 p. 8

-

0,17 à 0,23

-

0,35 à 0,65

-

restant

0,40 à 0,70

0,20 à 0,30

-

1,55 à 2,00

0,035 max.

0,040 max.

0,15 à 0,30

-

-

T30109 p. 8

-

0,45 à 0,55

-

4,75 à 5,50

0,25 max.

restant

0,5 max.

1,30 à 1,80

-

1,25 à 1,75

0,03 max.

0,03 max.

0,95 à 1,15

-

0,80 à 1,40

T51606 p. 8

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0,05 à 0,15

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1,25 à 1,75

0,25 max.

restant

0,35 à 0,70

-

-

3,25 à 3,75

0,03 max.

0,03 max.

0,10 à 0,40

-

-

K11538 p. 8

-

0,15 max.

-

0,30 à 0,50

0,20 à 0,50

restant

0,80 à 1,35

-

-

0,25 à 0,50

0,04 max.

0,05 max.

0,15 à 0,30

-

0,001 à 0,10

K81340 p. 8

-

0,13 max.

-

-

-

restant

0,90 max.

-

-

8,5 à 9,5

0,035 max.

0,040 max.

0,15 à 0,30

-

-

K93120 p. 8

0,05 à 0,15

0,03 max.

8,5 à 9,5

0,5 à max.

0,5 max.

restant

0,10 max.

4,6 à 5,2

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18,0 à 19,0

0,010 max.

0,010 max.

0,10 max.

0,5 à 0,8

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NICKEL, VOL. 34, Nº 1, 2019 | 15

STORELGEN, LE GRAND ÉLAN Au bord de la route E3, en Norvège, se dresse majestueusement la plus grande statue d’élan au monde (10,3 m de haut et 11,5 m de long). Cet élan colossal baptisé Storelgen (le Grand Élan) est même entouré de ses propres crottes géantes dispersées sur l’aire de pique-nique, ce qui ne manque pas d’amuser les voyageurs qui viennent s’y reposer.

Les éléments du Storelgen ont été envoyés de Chine après leur fabrication, qui a duré six mois. Sa hauteur dépasse de 50 cm celle de Mac l’orignal, son homologue canadien.

16 NICKEL, | NICKEL, VOL.VOL. 34,34, Nº Nº 1, 2019 1, 2019

Le site a été aménagé pour encourager

routes publiques du pays, le Storelgen a

les automobilistes à faire une halte et

coûté environ 236 000 $. Il a été fabriqué

se dégourdir les jambes, et pour leur

en Chine à partir d’acier inoxydable poli

rappeler de faire attention à la faune

miroir de nuance 316 (UNS S31600) « pour

sauvage des environs. Plus de 1 000 élans

que la statue soit aussi durable et ne

ont été heurtés par des véhicules rien

nécessite qu’un minimum d’entretien »,

qu’en 2015, avant que le Storelgen soit

explique l’artiste. « Et l’objectif était aussi

érigé en octobre de cette année.

de détrôner Mac l’orignal, son homologue

Créé par l’artiste norvégienne Linda

canadien, au titre de plus grande et plus

Bakke en collaboration avec l’office des

belle statue d’élan au monde ».