LA REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS
NICKEL, VOL. 39, Nº 1. 2024
Minerais de nickel : latérites et sulfures
Transport maritime : conversion au GNL
Entretien avec Heather Allain, du Materials Technology Institute
La conception, la construction, l’entretien et l’exploitation de cet ouvrage de 6,4 milliards de dollars canadiens sont menés par un consortium réunissant ACS Infrastructure, Fluor, Aecon et Dragados Canada. Une fois terminé, il offrira six voies routières ainsi que des pistes cyclables et pédestres agrémentées de réalisations artistiques.
Longueur totale : 2,5 km
Largeur : 37,5 m
Hauteur : 220 m
Plus longue travée : 853 m
Baptisé du nom d’un des joueurs de hockey les plus résilients et les plus légendaires de tous les temps, le pont international Gordie Howe promet d’être un splendide viaduc routier enjambant la rivière Détroit pour relier le Canada et les États-Unis.
Avec son tablier principal de plus de 850 m reliant Détroit (Michigan) et Windsor (Ontario), ce viaduc à 6 voies de 2,5 km sera le plus long pont à haubans d’Amérique du Nord. Il desservira le passage frontalier nord-américain le plus fréquenté en volume d’échanges commerciaux.
Au début des années 2000, les deux pays s’inquiétaient de plus en plus du fait que le pont Ambassadeur, ouvrage privé à quatre voies construit en 1929, nécessitait d’importantes réparations et ne suffirait pas au volume de trafic à venir.
L’Autorité du pont Windsor-Détroit (APWD) a formé un partenariat public-privé (PPP) avec le consortium Bridging North America, qui réunit les entreprises possédant l’expertise requise pour conduire ce gigantesque chantier d’infrastructure.
La construction a commencé en juillet 2018, pour une durée de vie nominale de 125 ans. La sélection des matériaux adéquats nécessitait un plan d’évaluation détaillé. Les ingénieurs du PPP ont choisi les propriétés de résistance à la corrosion supérieures des aciers inoxydables de nuances 2304 (UNS S32304) ou 2205 (S32205) répondant à la norme ASTM 955 pour garantir la durabilité des éléments de structure en béton armé essentiels directement exposés aux sels de voirie et à l’action des vagues.
Avec le regain des échanges entre les deux pays depuis la fin de la pandémie de COVID-19, on attend avec impatience l’ouverture du nouveau pont prévue pour l’automne 2025.
Un grand succès pour le Canada et les États-Unis.
Le nickel est prisé pour ses propriétés hors pair dans une myriade d’utilisations embrassant une grande diversité de secteurs d’activité. Il sert en majeure partie à produire de l’acier inoxydable destiné à un large éventail d’utilisations finales. Il contribue ainsi au bon fonctionnement et à la durabilité de toutes sortes de réalisations techniques, des biens de consommation aux grands chantiers de construction. En même temps, avec un essor de 30 % en 2022, c’est dans la fabrication des batteries que son usage progresse le plus vite1
Utilisations primaires du nickel en 2022
Alliages à
Utilisations finales du nickel en 2022
Cette édition de Nickel présente toute une palette d’utilisations de ce métal et explore quelques-unes de ses innombrables fonctions dans différentes industries où il améliore les propriétés des matériaux et rend possible de nouvelles technologies.
On y découvre un dispositif médical d’avant-garde, une technique révolutionnaire de recyclage des batteries, un usage de l’acier inoxydable qui protège les poissons, une œuvre d’art urbain spectaculaire et des méthodes renforçant la longévité des ponts. Le nickel y joue chaque fois un rôle de premier plan. Ce numéro inaugure aussi une nouvelle série d’articles sur la production du nickel. Il y sera question de durabilité, de procédés de traitement et de progrès innovants, en commençant par les minerais de nickel (en page 6).
Bienvenue dans cette exploration des multiples facettes de l’univers du nickel et de son rôle indispensable dans les progrès du monde contemporain.
Clare Richardson
Rédactrice en chef
En couverture
La météorite d’Hoba, en Namibie, mesure 2,7 × 2,7 × 0,9 m et son poids est estimé à plus de 60 tonnes. Elle se compose d’environ 84 % de fer et 16 % de nickel.
02 Étude de cas 30
Pont international Gordie Howe
L’omniprésence
Latérites et sulfures 08 Station de captage de l’eau respectueuse des poissons
10 Materials Technology Institute
Entretien avec Heather Allain
12 Transport maritime propre
Convertion au GNL
13 Alliages au nickel
Les alliages réfractaires
14 Le saviez-vous ?
15 Pourquoi le nickel ?
15 Codes UNS
16 Le haricot coincé d’Anish Kapoor
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, Rick Husa, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Lissel Pilcher, Lyle Trytten, Benoît Van Hecke, Odette Ziezold
Conception : Constructive Communications
Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y er 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
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Le professeur Dong Nianguo et son équipe à lʼhôpital du Peking Union Medical College ont créé la première prothèse valvulaire « vivante » en rendant possible son endothélialisation pour quʼelle soit plus durable et résistante que les valves actuelles entièrement en tissus porcins. La valve porcine se calcifie au fil du temps, si bien quʼelle ne se referme plus tout à fait et laisse refluer le sang. Pour y remédier, les chercheurs ont inséré entre la prothèse porcine et la valve humaine une armature réticulaire en Nitinol (alliage a mémoire de forme UNS N0155) à laquelle les cellules de lʼhôte se fi xent pour former graduellement un tissu valvulaire. Ce tissu vivant finit par remplacer toutes les cellules porcines, éliminant ainsi la calcification et le risque de rejet de la prothèse. Résultat : une prothèse qui sʼouvre et se referme avec plus de vigueur grâce à une structure tissulaire très similaire à celle de la valve cardiaque humaine. Pour citer Qiao Weihua, un membre de lʼéquipe : « Nous nʼavons jamais abandonné, et nos espoirs se sont enfin réalisés ».
Fin 2023, la société hongkongaise GRST (Green, Renewable, Sustainable Technology) a remporté un prix Earthshot pour un procédé rendant les batteries de véhicule électrique plus écologiques par lʼemploi de composants faciles à recycler.
Fondé en 2020 par William, prince de Galles, ce prix annuel récompense les solutions innovantes aux défis écologiques les plus pressants : pollution de lʼair et de lʼeau, dégradation de lʼenvironnement, gestion de déchets et changements climatiques. GRST fabrique sa batterie à partir dʼun liant composite hydrosoluble plutôt quʼavec des solvants volatils et des matériaux difficiles à recycler. Quand elle arrive en fin de vie, le lithium, le cobalt et le nickel sont récupérés à moindres frais et réutilisés dans de nouvelles batteries, ce qui réduit les besoins dʼextraction minière. Encore une innovation gagnant-gagnant pour les VE et lʼenvironnement.
La dernière vidéo du Nickel Institute, intitulée Knowing Nickel (connaître le nickel), éclaire deux concepts scientifiques importants pour la sécurité dʼutilisation du nickel : la biodisponibilité et la bioélution. Ce court métrage dʼanimation communique ces informations sérieuses sur un ton ludique et convivial. Sʼil pique votre curiosité, le site du Nickel Institute propose bien sûr des documents plus approfondis : www.nickelinstitute.org
Voici une première dont lʼapplication promet de renforcer lʼacier inoxydable et les autres alliages et dʼen accroître ainsi les capacités. Des chercheurs du laboratoire national dʼOak Ridge (ORNL), dans le Tennessee, ont montré quʼune couche superficielle de nitrure de bore hexagonal (h-BN) améliorait la protection à long terme contre les milieux très corrosifs tout en atténuant lʼoxydation à haute température dans lʼair. Appliquées par dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique, les couches dʼh-BN sont produites à partir de sources de bore solides et dʼazote moléculaire. Lʼajout de cette couche protectrice dʼh-BN aux alliages de fer et de nickel devrait améliorer la résistance de produits industriels tels que panneaux solaires, semiconducteurs et aubes de turboréacteurs. Ivan Vlassiouk, qui a dirigé lʼétude, souligne un autre avantage : « Lʼemploi de ce procédé pour synthétiser une ou plusieurs couches dʼh-BN pourrait améliorer les performances des nouveaux dispositifs électroniques et photoniques bidimensionnels ». Les résultats sont publiés dans la revue Advanced Materials Interfaces.
Voici le premier article d’une série consacrée à l’industrie du nickel vue de l’intérieur, pour mieux faire comprendre ce qu‘elle fait et comment elle le fait, ainsi que quelques-uns des défis à surmonter dans la production de cet élément essentiel aux multiples usages. Il sera notamment question de minerais, de procédés de traitement, de durabilité et de progrès en cours. Commençons par les minerais.
Le nickel s’utilise surtout dans deux domaines : les aciers inoxydables et autres alliages et la chimie (en particulier celle des batteries). Les aciers inoxydables représentent la plus grande part du marché du nickel, tandis que les batteries en constituent celle qui progresse le plus vite.
Pour répondre à la demande mondiale de nickel, on en produit à partir de deux grandes sources : l’extraction minière et le recyclage des matériaux. Le recyclage (de l’acier inoxydable, des alliages de nickel ou des batteries) est une part importante de la chaîne de valeur du nickel. La très grande recyclabilité du nickel est un facteur essentiel de sa durabilité, mais le marché se concentre avant tout sur le matériau fraîchement extrait, qui entre aujourd’hui dans la chaîne d’approvisionnement à raison d’environ 3 millions de tonnes par an.
Deux grands types de minerais
Le nickel se trouve dans deux grands types de minerais : les minerais latéritiques (oxydés), exploités surtout en zones tropicales et subtropicales, et les minerais sulfureux, exploités surtout en zones tempérées à subarctiques. Les principales mines de nickel se situent dans les régions indiquées sur la carte ci-contre, mais certaines de ces régions en comptent plusieurs et d’autres une seule. Les mines indonésiennes comptent pour plus de 50 % de la production actuelle de nickel. Le traitement du minerai se fait souvent près de la mine, mais il existe un important commerce régional et mondial de
minerais latéritiques de nickel, ainsi qu’un commerce de concentrés de minerais sulfureux de nickel.
Minerais latéritiques
Les minerais latéritiques se trouvent en gisements de surface et on en distingue deux grands types : les limonites (moins riches en nickel et plus riches en fer) et les saprolites (plus riches en nickel et moins riches en fer). Les limonites contiennent généralement du cobalt, ce qui augmente leur valeur, tandis que les saprolites ne sont traitées que pour leur nickel.
Aujourd’hui, les limonites sont le plus souvent lixiviées à l’acide sulfurique pour récupérer le nickel et le cobalt dissous sous forme de composés intermédiaires nickel-cobalt. Ces derniers peuvent ensuite être raffinés pour produire du nickel métallique ou introduits directement dans la chaîne d’approvisionnement destinée aux batteries. Ce procédé en solution aqueuse est appelé hydrométallurgie.
Les saprolites sont traitées par fusion au four à arc électrique (souvent alimenté au charbon) pour récupérer le nickel sous forme d’alliage fer-nickel. En général, cet alliage sert directement à fabriquer de l’acier inoxydable. La
Exploitations de minerais latéritiques
Exploitations de minerais sulfureux
demande croissante de batteries fait également renaître une pratique ancienne consistant à convertir l’alliage par fusion en un produit intermédiaire à raffiner davantage (la matte de nickel). Cette séquence de traitements thermiques constitue la pyrométallurgie.
Minerais sulfureux
Les gisements de minerais sulfureux se trouvent tant en surface qu’en profondeur et contiennent souvent, en plus du cobalt, des métaux précieux ou semi-précieux comme le cuivre, le platine et le palladium, dont la valeur combinée peut dépasser celle du nickel. Leur traitement diffère de celui des latérites. Il est presque toujours possible de les transformer sur place en
concentrés de nickel expédiables. Ces derniers sont ensuite traités dans des équipements centralisés. Il s’agit le plus souvent de fonderies de nickel où le concentré est fondu en utilisant l’énergie du soufre qu’il contient et de l’électricité pour produire une matte de nickel à raffiner davantage, mais il existe aussi des procédés hydrométallurgiques directs.
Des articles à venir analyseront ces technologies plus en détail, en soulignant quelques améliorations passées et en cours, quelques-uns des problèmes de durabilité que l’industrie doit surmonter et quelques-unes des voies nouvelles qui pourraient se concrétiser parallèlement aux méthodes actuelles.
Le nickel est extrait de deux grands types de minerais : les latérites et les sulfures.
Inaugurée en 2022, la station RDR (Rangitata Diversion Race) capte l’eau du Rangitata, un fleuve de l’île du Sud de la Nouvelle-Zélande, et joue ainsi toute l’année un rôle essentiel pour les besoins en irrigation, en réserves d’eau et en hydroélectricité. Cependant, ses répercussions sur les populations de poissons indigènes ont nécessité la mise en place d’une solution de dégrillage innovante.
L’entreprise australienne AWMA Water
Control Solutions a conçu et construit l’un des plus grands systèmes de captage de l’eau respectueux des poissons au monde en utilisant plus de 55 tonnes d’acier inoxydable au nickel.
Pour résoudre le problème, il a fallu concevoir et construire un système de captage écologique et durable en aciers inoxydables au nickel de nuances 304 (UNS S30400) et 316 (S31600). La solution de dégrillage offre le débit requis tout en assurant le passage sans encombre et le retour au réseau fluvial des poissons de pêche sportive tels que truites et saumons, ainsi que de diverses espèces indigènes menacées.
Des recherches approfondies ont conduit à sélectionner un système de dégrillage autonettoyant utilisant des grilles à fissures et éprouvé depuis des décennies. Cette solution efficace intègre une structure de dégrillage
en acier inoxydable qui, en plus d’être autonettoyante et respectueuse des poissons, maintient le débit de l’eau de manière fiable pour un faible coût total du cycle de vie.
Le système utilise sept crépines en T (soit un total de 14 grilles cylindriques), un grand panneau de dégrillage et une vanne à déversoir plat, le tout en acier inoxydable.
Les trois principales caractéristiques des grilles, choisies avant tout pour la protection des poissons, étaient l’ouverture de maille, la vitesse d’approche et la fonction d’autonettoyage. L’ouverture de maille a été adaptée à la faune aquatique locale en tenant compte des
espèces de poissons et de leurs cycles reproductifs. Les faibles vitesses d’approche préviennent l’entraînement et l’impaction des débris et des poissons en répartissant le débit en douceur et uniformément sur toute la surface de dégrillage.
Les dégrilleurs intègrent des grilles à fissures en acier inoxydable et des systèmes de nettoyage à brosses internes et externes éliminant efficacement algues et débris tout en maintenant la protection des poissons et le débit optimal.
Les 14 dégrilleurs cylindriques sont constitués de grilles à fissures en acier inoxydable 304 et font 2,1 m de diamètre sur 3 m de longueur.
Chacun des sept systèmes de levage et d’abaissement des dégrilleurs cylindriques mesure 8,75 m de hauteur et intègre un arbre d’entraînement de 100 mm de diamètre en acier inoxydable 316 protégé par un carter en acier inoxydable 304 recouvrant aussi les poupées. Ces systèmes utilisent un total de 140 m de câbles en acier 316 équipés de tendeurs et de raccords. Le grand
panneau de dégrillage en acier inoxydable pèse 8 tonnes et mesure 30 m sur 3,5 m (soit 105 m 2).
Pour faciliter le passage des poissons, le débit de sortie du canal de dérivation est régulé par surverse au moyen d’une vanne à déversoir plat constituée d’environ 1,8 tonne d’acier inoxydable.
Toutes les surfaces des composants en acier inoxydable ont été décapées avant l’installation.
La fabrication du système de dégrillage a nécessité au total plus de 55 tonnes d’acier inoxydable. Ce matériau garantit la durabilité et le bon fonctionnement de la station de captage pour une longévité en eau douce de plus de 50 ans. En conjuguant conception innovante et aciers inoxydables performants, cet équipement d’infrastructure constitue une solution écologique optimisant le débit et la qualité de l’eau captée, réduisant la consommation d’énergie et protégeant les poissons indigènes.
Condensé d’un article paru dans le numéro 78 de la revue Australian Stainless
Le système utilise sept dégrilleurs en T (soit un total de 14 grilles cylindriques), un grand panneau de dégrillage et une vanne à déversoir plat, le tout en acier inoxydable au nickel.
Heather Allain fait partie de l’équipe du MTI depuis 2008. Avant d’accéder à sa direction générale, elle a été directrice adjointe chargée de l’accompagnement des projets et de la région Europe pendant 14 ans.
Après sa licence en sciences des matériaux à l’Université Rice, elle a travaillé chez DuPont pendant 14 ans avant de rejoindre le MTI.
Le Nickel Institute est un fervent collaborateur du Materials Technology Institute (MTI) depuis plus de vingt ans. En lui apportant ses données et son expertise sur les aciers inoxydables, les alliages de nickel et les techniques de soudage et de fabrication utilisant ces matériaux, le Nickel Institute favorise le succès de leurs usages industriels. Nous avons interrogé Heather Allain, directrice générale du MTI, sur sa passion pour les matériaux et sur le rôle moteur de son organisation dans la sensibilisation aux questions de sécurité, de fi abilité et de durabilité de leur utilisation.
Q : Parlez-nous de vous et de ce qui vous a amenée à vous intéresser aux matériaux.
J’adorais tant la chimie au lycée que je me suis inscrite en génie chimique à l’Université Rice. Dans mon premier cours de science des matériaux, j’ai été captivée par la manière dont les fondamentaux que sont la taille et la charge des atomes déterminaient la structure cristalline des métaux et les propriétés résultantes des matériaux. Cela m’a incitée à me réorienter vers cette discipline où les cours, en particulier ceux sur la corrosion, ont renforcé chez moi un intérêt pour ce domaine qui, des années plus tard, m’a amenée au MTI.
Q : Qu’est-ce que le MTI et quelle est son importance ?
Le MTI se distingue par son modèle collaboratif. Ses membres sont des entreprises des industries de processus qui fi nancent des études et projets non exclusifs sur des problèmes
communs qu’elles considèrent comme prioritaires. Les travaux du MTI jouent un rôle important en recueillant des savoirs en génie des matériaux, en les mettant à la disposition d’une nouvelle génération d’ingénieurs et en créant des ressources qui n’existent nulle part ailleurs. Ces travaux comblent des lacunes dans les savoirs et savoir-faire techniques en mettant l’accent sur la sécurité, la fiabilité et la durabilité dans les industries de processus.
Q : Par exemple ?
Il s’agit par exemple des ouvrages de la série Materials Selector, largement reconnue comme la référence absolue pour différents types de milieux corrosifs, et de la série des Atlases of Microstructures, qui illustre presque toutes les formes de produits pour un alliage ou une famille d’alliages donnés.
Q : Qui sont vos membres ?
Les entreprises membres du MTI
s’occupent à la fois des produits chimiques intermédiaires et du raffinage pétrogazier et sont parmi celles qui se chargent des procédés les plus exigeants en donnant la priorité à la sécurité et à l’excellence opérationnelle. Nous avons la structure idéale pour appuyer nos membres dans leurs décisions techniques en mettant nos ressources et notre réseau à leur disposition.
Q : Quels sont les avantages de l’adhésion au MTI ?
Beaucoup d’entreprises adhèrent au MTI par intérêt pour l’un de ses domaines de recherche ou pour proposer un projet. C’est là sa principale offre de valeur.
Ensuite, c’est la valeur du réseau lui-même qui leur devient indispensable. Sur le forum en ligne du MTI, les membres posent des questions et obtiennent des réponses, souvent en l’espace de quelques heures. Plus de 30 entreprises membres y ont demandé des solutions et des conseils en 2023, et plus de 10 000 messages de discussion y sont archivés et consultables.
Sa bibliothèque de ressources techniques est aussi très appréciée. Les membres ont accès en tout temps aux archives de ses publications, présentations, webinaires sur demande, etc.
Les membres bénéficient également de ses formations, tables rondes et webinaires techniques d’une heure, ainsi que de son podcast mensuel, Corrosion Chronicles, qui portent tous sur des sujets qui les intéressent. Ces ressources sont aussi offertes aux nonmembres pour servir l’ensemble de l’industrie. Gary Coates, de l’équipe du Nickel Institute, a participé à plusieurs de nos rencontres comme conférencier et animateur ou co-organisateur, et nous nous félicitons de bénéficier de son expertise sous cette forme.
Q : Comment fonctionne le MTI ?
Le MTI est né en Amérique du Nord en 1976. Comme beaucoup de ses membres sont ailleurs dans le monde, il a élargi sa présence à l’Asie et à l’Europe au début des années 2000. En général, nous nous réunissons en personne sept fois par an dans le cadre de nos conseils consultatifs techniques. Chaque rencontre régionale offre des formations et des présentations techniques, ainsi que des occasions pour les membres de faire part des échecs et difficultés rencontrés sur leurs sites et des manières d’y remédier. Enfin, nous organisons tous les deux ans un symposium mondial ouvert au public.
Q : Quel est l’intérêt des rencontres en personne ?
La recherche d’idées et la mise au point du cadre, des objectifs et des livrables des différents projets se font plus efficacement en personne. Les rencontres du MTI incluent aussi des activités de formation et de réseautage qui marchent mieux en personne.
Q : Comment choisissez-vous les projets à financer ?
Toute entreprise membre du MTI peut proposer une idée de projet. Notre processus prévoit une sélection minutieuse par les membres, ce qui renforce l’adhésion d’ensemble. Le ou la porte-parole de l’entreprise membre présente le projet examiné au conseil consultatif, qui vote sur son intérêt technique. À l’issue de l’approbation technique, le conseil d’administration autorise le financement. Les projets sont souvent financés et mis en route en l’espace d’une année. Les projets actuellement financés ou examinés figurent sur le site du MTI : mti-global.org.
Le MTI organise chaque année plusieurs cours et tables rondes portant sur un éventail de questions relatives aux matériaux. Le programme complet des rencontres se trouve sur son site : www.mti-global.org.
Les conduites à isolation sous vide sont fabriquées à partir de deux tubes coaxiaux : un tuyau interne transportant le fluide et une enveloppe externe emprisonnant une couche de vide. La conversion est difficile, car il faut travailler dans des espaces restreints autour du matériel existant.
Depuis janvier 2020, l’Organisation maritime internationale (OMI) plafonne la teneur en soufre du fioul alimentant les navires afin de réduire la pollution par les oxydes de soufre.
Le nouveau plafonnement mondial de la teneur en soufre force le transport maritime à repenser ses options, qui sont essentiellement au nombre de trois : combustibles de remplacement, fioul à faible teneur en soufre, et épurateurs éliminant les oxydes de soufre des gaz d’échappement.
Les combustibles de remplacement comprennent l’ammoniac, le méthanol, l’hydrogène et le gaz naturel liquéfié (GNL), un carburant à faible teneur en soufre. Cryospain, une entreprise espagnole de matériel de cryogénie, a récemment converti le moteur et le système d’alimentation d’un navire pour un fonctionnement au GNL.
La conversion consiste notamment à installer des conduites servant à transporter et stocker le gaz naturel, liquéfié ou non, et à alimenter les moteurs avec celui-ci. Avec un point d’ébullition situé à -162 °C, le GNL nécessite l’emploi d’aciers inoxydables au nickel.
Cryospain a fourni des conduites à double enveloppe en 316L (UNS S31603) maintenant le GNL à l’état liquide. La nuance 316L assure leur résistance à la corrosion en milieu maritime et aux basses températures.
On a installé environ 275 m de conduites, dont 160 m isolés sous vide (par retrait de l’air entre les deux enveloppes coaxiales). Là où le gaz naturel doit rester liquide (par exemple du terminal à quai aux citernes des navires), l’isolation par le vide maintient le refroidissement requis. Les conduites ne nécessitant pas de maintien à l’état liquide, comme celles des brûleurs du navire, peuvent être à double enveloppe sans isolation par le vide. Le système utilise au total 6 tonnes d’acier inoxydable 316L.
La navigation du bâtiment ainsi converti est plus propre, écologique, efficace et économe qu’avant.
En général, on envisage les alliages au nickel sous l’angle de leur résistance à la corrosion en milieu aqueux, comme dans l’eau de mer, les procédés agroalimentaires et la production de produits chimiques. Pourtant, certains alliages, dits réfractaires, s’utilisent presque exclusivement à des températures situées entre 540 °C et 1230 °C.
Les alliages réfractaires sont fondamentalement de deux types : ferritiques ou austénitiques. Les alliages austénitiques sont les plus utilisés, car leur microstructure off re une ductilité et une résistance aux contraintes thermiques dépassant celles de l’acier au carbone. Cette microstructure austénitique et les attributs afférents résultent d’une teneur en nickel allant de 8 % à 75 %.
Le tableau ci-dessous présente quelques alliages réfractaires courants, dont le plus connu est l’acier inoxydable de nuance 304.
À haute température, l’acier réagit avec l’oxygène pour former une couche d’oxydes (calamine) entraînant une perte de métal. Les alliages réfractaires ont une forte teneur en chrome qui ralentit l’épaississement de la calamine
et réduit ainsi cette perte de métal.
L’augmentation de la teneur en chrome accroît la résistance au calaminage, mais nécessite en même temps d’augmenter la teneur en nickel pour maintenir la microstructure austénitique. L’ajout d’aluminium ou de silicium peut aussi améliorer la résistance au calaminage fournie par le chrome. Le nickel apporte aussi d’autres avantages. Il accroît la résistance à la carburation pouvant se produire dans les fours de traitement thermique et dans le traitement des hydrocarbures, ainsi que celle aux attaques des gaz halogènes comme le chlore.
Les alliages réfractaires au nickel sont essentiels dans les équipements fonctionnant à haute température et dans la fabrication de produits chimiques importants.
304 (S30400) 8 18 72 925 °C (1700 °F)
310 (S31008) 20 25 52 1150 °C (2100 °F)
330 (N08330) 35 19 43 Si : 1,25 1150 °C (2100 °F)
800H (N08810) 31 21 45 980 °C (1800 °F)
600 (N06600) 76 15,5 8 1090 °C (2000 °F)
601 (N06601) 61,5 22,5 14 Al : 1,4 1200 °C (2200 °F)
602CA (N06025) 63 25 9 Al : 2,2 1230 °C (2250 °F)
* Température maximum suggérée dans l’air, en service continu
Exemples d’utilisation des alliages réfractaires :
• fours de traitement thermique ;
• fours de cémentation ;
• incinération des déchets de plastiques chlorés.
Ajout de nickel
Ferrite Structure
cubique à corps centré Austénite
Structure
cubique à faces centrées
Geir Moe est l’ingénieur chargé de coordonner le service d’information technique du Nickel Institute. Constituée d’experts techniques situés dans le monde entier, son équipe se tient à la disposition des utilisateurs et prescripteurs de matériaux contenant du nickel pour leur apporter gratuitement des conseils techniques sur une vaste gamme d’utilisations de ce métal (aciers inoxydables, alliages de nickel, nickelage, etc.) et leur permettre ainsi de tirer parti de ses nombreux avantages en toute confi ance. https://inquiries.nickelinstitute.org/
QQ : Nous avons produit un fond bombé par formage à froid d’une plaque de 304L (UNS S30403) de 10 mm d’épaisseur. Le code des réservoirs sous pression n’impose pas de traitement thermique après formage (recuit). Notre client impose une limite maximum de 3 % pour la teneur en ferrite. Mesurée avec un Fischer Feritscope®, la teneur en ferrite à la carre est de 35 % à 45 % alors qu’elle est inférieure à 3 % quand on s’en éloigne. L’identifi cation positive du matériau montre que sa composition correspond bien à la nuance 304L. Pourquoi la teneur en ferrite varie-t-elle tant, et comment y remédier ?
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R : Le Feritscope ne mesure pas directement la teneur en ferrite. Il mesure la présence de microstructures magnétiques dans le métal. La ferrite est la microstructure magnétique la plus connue. Entièrement recuits, les aciers inoxydables austénitiques tels que le 304L sont essentiellement amagnétiques en raison de la microstructure austénitique résultant de
Eff et de l’écrouissage sur la perméabilité magnétique des aciers inoxydables au chrome-nickel
leur teneur en nickel.
Cependant, l’austénite du 304L est métastable. Cela veut dire qu’une partie de cette austénite peut se transformer en une autre microstructure, appelée martensite d’écrouissage, qui devient magnétique sous l’effet de la déformation plastique à froid. La ferrite et la martensite étant toutes deux des microstructures magnétiques, le Feritscope ne les distingue pas. D’autres aciers inoxydables à plus forte teneur en nickel résistent à cette transformation en martensite, comme l’indique le diagramme ci-contre.
Mesurée avant le formage, la teneur en microstructures magnétiques mesurée aurait été inférieure à 3 % sur toute la plaque. Ce n’est pas la teneur en ferrite qui augmente lors du formage à froid. S’il faut éliminer la martensite, le seul moyen consiste à recuire le fond bombé. Dans le cas du 304L, ce traitement thermique reconvertit la martensite en austénite à partir d’un minimum de 1040 °C.
Le nickel se décline sous de nombreuses formes, depuis les nanofils jusqu’aux aciers inoxydables. Mais quelles propriétés en font un élément essentiel dans tant d’objets du quotidien ?
L’évier en acier inoxydable
L’acier inoxydable au nickel est un matériau idéal pour les éviers. Il résiste superbement à la corrosion, et grâce à l’ajout de nickel, comme dans la nuance 304 (UNS S30400), il peut être formé par emboutissage profond.
Dans la nuance 304 (S30400), le nickel produit une structure off rant un taux d’écrouissage élevé qui contribue à répartir la déformation de façon plus homogène qu’avec l’acier au carbone ordinaire ou les aciers inoxydables ferritiques.
dans plus
Le taux d’écrouissage élevé signifi e qu’à mesure que le matériau s’étire, sa résistance s’accroît considérablement dans la zone étirée jusqu’à ce que celle-ci refuse de s’étirer davantage et que d’autres zones plus faibles commencent à le faire.
Par conséquent, l’étirement se répartit davantage sur l’ensemble du matériau pour produire une cuve plus profonde. Avec des matériaux off rant un moindre taux d’écrouissage, l’étirement serait plus localisé et entraînerait une rupture avant que le matériau soit suffi samment étiré.
Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).
Le projet, lancé par le promoteur Alexico Group, est un brillant exemple d’innovation artistique et architecturale.
Attendue de longue date, voici enfi n la première œuvre urbaine permanente du plasticien britannique Anish Kapoor à New York. Familièrement baptisé « The Half Bean » (le demi-haricot), ce reluisant favoïde semble coincé sous lʼétonnant gratte-ciel surnommé tour de Jenga, conçu par le cabinet Herzog & de Meuron au 56 Leonard Street, dans le quartier de Tribeca. Son inauguration tardive en janvier 2023, quinze ans après sa commande, résultait de la complexité du projet, de facteurs économiques et des restrictions liées à la pandémie de COVID-19.
La société Performance Structures, qui a aussi réalisé la Cloud Gate (« le Haricot ») dʼAnish Kapoor à Chicago, a surmonté les nombreux défis posés par le profilage et le soudage requis pour créer une sculpture parfaitement lisse. Chaque tronçon de la sculpture a son propre châssis, boulonné au sol par le bas et suspendu à lʼimmeuble par des câbles. Des éléments de structure à ressort autorisent un léger mouvement de la sculpture pour absorber lʼeffet du vent, de la neige et des variations de température.
Enveloppée de panneaux dʼacier inoxydable 316L (UNS S31603) découpés avec
précision et polis miroir, la sculpture en forme de bulle de 40 tonnes repose sur le trottoir et mesure près de 15 m de long sur 6 m de haut. Sa coquille a été assemblée sur place autour dʼune imposante structure interne avant dʼêtre soudée, meulée, poncée et polie. Selon la vision dʼAnish Kapoor, « Cette œuvre propose une forme en acier inoxydable à la fois douce et éphémère. Les miroirs nous conduisent à marquer une pause, à nous laisser absorber et attirer dʼune façon qui bouscule le temps, qui le ralentit peut-être ; ce matériau crée un nouveau type dʼespace immatériel. »