MAGAZINE
NICKEL
L A RE V UE SPÉCI A LISÉE DU NICK EL E T DE SES A PPLIC ATIONS NICKEL, VOL. 36, Nº 3. 2021
Le métal sociable qui dynamise la vie sociale De minuscules condensateurs pour rester connecté
Produire des vaccins pour rétablir la vie sociale
Un métal omniprésent qui se lie bien aux autres
REMKO DE WAAL EPA-EFE MX3D
ÉTUDE DE CAS 23 UNE PASSERELLE IMPRIMÉE EN 3D À AMSTERDAM Acier inoxydable : ArcelorMittal Architecture : Joris Laarman Lab Bureau d’études : Arup Fabrication : MX3D, une entreprise néerlandaise spécialiste de la fabrication additive d’objets de grandes dimensions par arc électrique robotisé Site : Oudezijds Achterburgwal, l’un des canaux les plus anciens et les plus connus du centre d’Amsterdam Longueur : 12,2 m Largeur : 6,3 m Hauteur : 2,1 m Structure constituée de 4,5 tonnes d’acier inoxydable de nuance 308LSi, mise à l’épreuve par une charge de 17 tonnes Durée de l’impression : 6 mois
NICKEL, VOL. VOL. 36, 36, Nº Nº 3. 3. 2021 2021 22 || NICKEL,
Le tout premier pont-passerelle en acier inoxydable imprimé en 3D est en service aux Pays-Bas. Ses concepteurs ont tiré parti de la fabrication additive, qui permet de construire à peu près n’importe quel modèle en peu de temps et avec peu de chutes, et ce sur place ou en usine, comme dans le cas de cette passerelle de 12 m. Constituée de 4,5 tonnes de fil à souder en acier inoxydable de nuance 308LSi (UNS S30888), la structure a été imprimée en 3D au moyen de quatre robots de soudage à six axes. Ces machines fabriquent les sections de la passerelle par intrication de couches successives et produisent ainsi un fini en acier brut. Rendus particulièrement soudables, tenaces et résistants par leur teneur en nickel, les aciers inoxydables de la série 300 se prêtent très bien à la fabrication additive. Les créateurs de l’ouvrage ont employé deux procédés d’impression 3D distincts. Dans le premier, appelé dépôt sous énergie concentrée (ou DMD, pour Direct Metal Deposition), le système d’impression distribue le métal par une
buse, en général sous forme de poudre ou de fil, et une source de chaleur intense le fusionne au contact. Le second, appelé fusion sur lit de poudre (ou PBF, pour Powder Bed Fusion), procure une résolution plus élevée et permet ainsi de réaliser les détails de l’ouvrage avec plus de précision. Les éléments de passerelle imprimés en 3D ont été soudés ensemble par frittage laser au moyen de robots de grande dimension. L’ensemble intègre aussi des capteurs servant à recueillir des données de suivi sur son comportement. Le 15 juillet 2021, la passerelle a été inaugurée officiellement par la reine Máxima, secondée en cela, bien à propos, par un robot coupeur de ruban.
ÉDITORIAL UN MÉTAL SOCIABLE DYNAMISANT LA VIE EN SOCIÉTÉ Le nickel est un métal sociable. C’est une drôle d’idée, mais quand on y réfléchit, c’est ce qui le rend vraiment utile. Le présent numéro de Nickel se penche sur le caractère sociable du nickel, depuis ses propriétés physico-chimiques jusqu’à sa manière de faire exister des outils par lesquels le genre humain tisse des liens. Le nickel s’allie facilement à la plupart des métaux. Il sert ainsi à produire un large éventail d’alliages tenaces, ductiles, soudables, résistant à la chaleur, à la corrosion et aux contraintes, et présentant bien d’autres propriétés physiques utiles, voire indispensables. Il permet aussi à différents métaux de contribuer ensemble à la finition des surfaces en métal ou en plastique, et ces talents conciliateurs résolvent des problèmes dans presque tous les aspects de la vie humaine. Pour illustrer les usages du nickel qui aident à tisser nos propres réseaux de relations, nous examinons son rôle dans les minuscules condensateurs qui régulent l’alimentation des téléphones intelligents, instruments incontournables de la sociabilité contemporaine. Comme ces appareils qui nous relient aux autres arrivent inéluctablement en fin de vie utile et alimentent ainsi une filière des déchets électroniques désormais en plein essor, nous nous intéressons aussi à la manière de récupérer le nickel qu’ils recèlent. Celui-ci est souvent réutilisé dans la production d’alliages tels que l’acier inoxydable, où son caractère sociable est de nouveau mis à profit. Nous portons ensuite un regard sur la façon dont les aciers inoxydables au nickel aident l’industrie biopharmaceutique à se dépasser en produisant rapidement les vaccins dont nous avons tant besoin pour lutter contre les maladies comme la
Grâce à ses propriétés physicochimiques, le nickel fait exister des outils par lesquels le genre humain tisse des liens.
COVID‑19 et reprendre enfin une vie sociale normale. Ce numéro met de nouveau à l’honneur la multiplicité des usages du nickel. Même en quantités infimes, il fait une énorme différence dans une multitude de réalisations techniques. Et quand nous pouvons de nouveau nous réunir, nous nous rendons compte à quel point ce sont les petites choses qui comptent. Clare Richardson Rédactrice en chef
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Étude de cas 23 Passerelle imprimée en 3D Éditorial Un métal sociable dynamisant la vie sociale
NICKEL
En bref Dans toutes les poches De minuscules condensateurs Recycler les déchets électroniques La nouvelle vie des métaux usagés Usage vital du nickel La production des vaccins Nickel Le métal sociable Alliages de nickel L’Invar Le saviez-vous ? Corrosion des canalisations enterrées
Des batteries en béton Treillis en fibre de carbone revêtu de fer COUCHE ANODIQUE
Nouvelles publications Béton conducteur (additionné de fibre de carbone)
Codes UNS La Tour LUMA à Arles Inspirée par Van Gogh
La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org
COUCHE CATHODIQUE Treillis en fibre de carbone revêtu de nickel
Collaborateurs : Gary Coates, Jim Fritz, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Odette Ziezold Conception : Constructive Communications 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 Couverture : iStock©coffeekai Photos de banques d’images : iStock©Orbon Alija (page 3), Shutterstock©OlegDoroshin (page 6), iStock©Lya_Cattel (page 8), iStock©pagadesign (page 9), iStock©SDI Productions (page 10), iStock©Drazen Zigic (page 11), iStock©maki_shmaki (page 12)
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Et si les immeubles devenaient de gigantesques batteries ? Luping Tang et Emma Zhang, chercheurs à l’Université Chalmers (Suède), ont mis au point le prototype d’une batterie rechargeable à base de ciment. Cette innovation radicale utilise un béton additionné de brins de fibres de carbone auquel sont incorporés deux treillis en fibre de carbone superposés, l’un revêtu de fer pour servir d’anode et l’autre revêtu de nickel pour servir de cathode. Le montage d’étude a donné une densité énergétique moyenne de 7 watts-heures par mètre carré. C’est peu par rapport aux batteries commercialisées, mais par leur seul volume, les accumulateurs produits au moyen de cette technique suffisent à emmagasiner et à restituer une charge électrique considérable. Le béton étant le matériau de construction le plus largement utilisé dans le monde, l’intégration d’accumulateurs à base de ciment dans les bâtiments, trottoirs et ouvrages d’art du futur pourrait bien changer la donne en dopant la transition énergétique dans le secteur du bâtiment et des travaux publics.
YEN STRANDQVIST/UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE CHALMERS
02
E N B R E F
SOMMAIRE
CHINA ARCHITECTURE DESIGN & RESEARCH GROUP. PHOTO : ZHANG GUANGYUAN
Une canopée futuriste Forêt artificielle alliant fantaisie architecturale et ingéniosité, le Jardin du futur, créé à Nankin dans le cadre du parc des expositions horticoles de la province chinoise du Jiangsu, intègre 42 arbres en acier inoxydable dont les rameaux en ombrelle portent le toit de la structure. Ces arbres, tous identiques, sont interconnectés à leur sommet, où chacun supporte un panneau acrylique transparent en feuille de lotus (une première mondiale). Le réaménagement du site, naguère occupé par une carrière et une cimenterie, s’est accompli malgré la complexité des problèmes posés par l’état des sols, et le résultat est un régal pour les yeux. L’ensemble intègre environ 1 000 tonnes d’acier inoxydable au nickel de nuance 316L (UNS S31603).
ELECTRICAIR
Vol tout électrique
Gary Freedman, fondateur d’ElectricAir, a enregistré le record mondial du plus long vol tout électrique au-dessus de l’eau par une traversée du détroit de Cook (NouvelleZélande) en 40 minutes, marquant ainsi un grand bond en avant pour l’écoaviation. Les deux batteries au lithium alimentant le moteur électrique de l’appareil durent jusqu’à 90 minutes et se rechargent en moins d’une heure, et il va sans dire qu’elles contiennent du nickel. Ce vol en solo a été programmé de manière à coïncider avec l’ouverture de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques tenue à Glasgow en novembre 2021, soit 101 ans après la première traversée en avion classique du détroit séparant les deux grandes îles de la Nouvelle-Zélande. « C’est l’amorce d’un changement radical, annonce Gary Freedman. Les avions électriques gagnent rapidement en dimensions et en rayon d’action et sont parfaits pour les courtes distances. »
Mesurer la douceur de la sueur Des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie ont
« Nous souhaitons maintenant étudier l’application de cette
publié, dans la revue Biosensors and Bioelectronics, les
technique à la surveillance quotidienne des patients »,
détails d’un capteur non effractif innovant et peu coûteux
annonce Huanyu Cheng, qui dirige l’équipe de recherche.
servant à mesurer la teneur en glucose de la sueur. Son substrat initial, constitué de graphène produit au laser, n’est « pas du tout sensible au glucose », mais l’ajout d’une couche UNIVERSITÉ D’ÉTAT DE PENNSYLVANIE
d’alliage nickel-or lui confère une « robuste sensibilité au glucose ». Le dispositif réutilisable est fixé au bras et les mesures se font lors de brèves séances d’exercice une heure et trois heures après un repas. Bien que la concentration en glucose de la sueur soit 100 fois inférieure à celle du sang, le nouveau dispositif la mesure avec exactitude, comme le confirment les glucomètres commercialisés.
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DU NICKEL DANS CHAQUE POCHE DE MINUSCULES CONDENSATEURS POUR RESTER CONNECTÉS Le nickel a permis de miniaturiser les condensateurs céramiques multicouches sans réduire leur capacité, simplement en réduisant l’épaisseur de leur couche diélectrique.
Le téléphone intelligent, dont on ne se sépare plus, est un système électronique complexe incorporant une multitude de fonctions, toutes alimentées par la même batterie interne. Leurs circuits électroniques intègrent différents composants tels que diodes, transistors, résistances, inductances et condensateurs, raccordés par des fils conducteurs ou par des pistes imprimées sur une plaquette. Le condensateur sert à emmagasiner une certaine charge électrique (sa capacité), plus ou moins comme une pile rechargeable. Les condensateurs sont essentiels au
Anatomie d’un condensateur
fonctionnement des circuits électroniques.
céramique multicouches
Si les unités d’alimentation pouvaient
Les condensateurs céramiques multi-
fournir une tension constante quel que
couches se composent pour l’essentiel
soit l’appel de courant et si aucun
d’au moins deux plaques de métal
composant ne produisait de bruit
parallèles (les électrodes) séparées par
électrique, il n’y aurait pas besoin de
un matériau isolant (le diélectrique).
condensateurs. Mais les fluctuations de
À l’heure actuelle, ils peuvent compter
tension sont inévitables, et il faut bien les
600 électrodes parallèles de moins d’un
lisser. Le condensateur constitue un
micromètre d’épaisseur.
tampon de stockage servant à toujours
Ils ont été inventés il y a plus de 40 ans
fournir assez de courant pour alimenter tous les composants et à filtrer le bruit, afin que les différents sous-circuits électroniques fonctionnent comme prévu.
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pour remplacer les condensateurs céramique à disque. Ces derniers présentaient seulement deux pattes se montant le plus souvent dans des trous
Les appareils électroniques grand public
sur la plaquette de circuit imprimé. Ils ne
intègrent souvent des centaines de minus-
se prêtaient ni au montage rapide ni à la
cules condensateurs, voire plus d’un millier
miniaturisation des circuits. Les conden-
pour des téléphones intelligents de pointe
sateurs céramique multicouches, en
tels que l’iPhone. Il s’agit de condensateurs
revanche, présentent une forme rectangu-
céramique multicouches, qui peuvent être
laire permettant un montage à cadence
aussi petits qu’un grain de sable. Ils servent
élevée. Leurs électrodes se composaient
à découpler les différents sous-circuits
au départ d’un alliage argent-palladium
de manière à protéger chacun d’eux des
(Ag-Pd), qui a été remplacé par du nickel
fluctuations de courant d’alimentation
au début des années 2000. Le nickel pré-
causées par l’activité des autres.
sentait plusieurs avantages par rapport à
TAIYO YUDEN EUROPE GMBH
En 2020, 4 800 tonnes de poudre de nickel ont servi à la fabrication de condensateurs céramiques multicouches, qui peuvent être aussi petits qu’un grain de sable.
l’alliage Ag-Pd, dont les suivants :
connectés (tels que montres intelligentes
• couches diélectriques plus fines ;
et moniteurs d’activité physique), les
• capacités plus élevées (plus grande
systèmes d’avionique et les véhicules
densité d’énergie volumique) ; • moindre coût. Le nickel est désormais le matériau de choix pour la fabrication des conden-
intelligents (en particulier ceux équipés de systèmes d’aide à la conduite). En fait, ils sont partout où se trouvent des modules électroniques miniaturisés. On en
sateurs céramique multicouches. Il a
fabrique jusqu’à quatre mille milliards par
permis de les miniaturiser en réduisant
an, dont 40 % rien que pour les téléphones
l’épaisseur de la couche diélectrique sans
intelligents. En 2020, 4 800 tonnes de
modifier leur capacité. Les condensateurs
nickel ont servi à la fabrication de ces
céramique multicouches au nickel sont
minuscules composants dont dépend le
présents notamment dans les téléphones
fonctionnement des appareils électro-
intelligents, les objets personnels
niques intelligents d’aujourd’hui.
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RECYCLAGE DES DÉCHETS ÉLECTRONIQUES UNE NOUVELLE VIE POUR LES MÉTAUX USAGÉS « Nos procédés se fondent sur une métallurgie complexe plomb-cuivrenickel utilisant ces métaux usuels comme collecteurs pour récupérer les métaux précieux ainsi que d’autres métaux dits “impuretés” tels que l’antimoine, le bismuth, l’étain, le sélénium, le tellure et l’indium. » — Umicore
« Les déchets d’équipements électriques et électroniques, y compris ceux d’accumulateurs Li‑ion, sont prétraités et placés dans un convertisseur à cuivre, puis le sulfate de nickel brut est extrait par électrolyse et envoyé à une raffinerie de nickel pour être transformé en sulfate de nickel pur, qui sert de matière première dans la fabrication des batteries. » — Sumitomo Metal Mining
« Grâce à la structure modulaire de nos nouveaux systèmes de recyclage, nous pouvons réagir aux marchés et aux besoins avec une grande souplesse et réintroduire ainsi de plus en plus de matériaux contenant du métal dans leur cycle de réutilisation. » — Aurubis
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Imaginez le plus grand des navires de croisière. Imaginez ensuite son poids (un peu plus de 100 000 tonnes). Puis imaginez le poids de 500 navires identiques à celui-ci. C’est la quantité ahurissante de nouveaux déchets électroniques que nous produisons chaque année. Plus de 53 millions de tonnes rien qu’en 2020, selon le Global E-waste Monitor. Et cela va augmenter d’année en année, avec une projection de 74 millions de tonnes pour 2030. Mais aujourd’hui, à peine une dizaine de millions de tonnes de déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) sont vraiment recyclées, c’est-à-dire traitées de manière à récupérer les métaux et autres matériaux de valeur, dont le nickel. Les 43 millions de tonnes de DEEE restantes, qui contiendraient selon les estimations pour environ 55 milliards de dollars US de matériaux récupérables, ne sont pas recyclées et finissent en décharge. Il est clair que la plupart des téléphones mobiles, ordinateurs, téléviseurs et autres appareils ou composants électroniques de notre quotidien connaissent une fin de vie déplorable. Une récupération complexe Les DEEE contiennent du nickel, quoiqu’en quantité variable selon le type de composants à recycler. Sa récupération est vraiment complexe, car ce métal « sociable » s’amalgame bien avec la plupart des autres métaux. Le nickel constitue le plus souvent entre 0,5 % et 2 % du poids total d’un composant, ce qui est très largement en dessous de sa teneur en fer ou en cuivre. La filière électronique utilise le nickel pour ses attributs essentiels, comme le montre son emploi dans les condensateurs céramique multicouches (voir page 6). Les métaux précieux (or, argent et palladium), même présents en bien moindres quantités, peuvent avoir une plus grande valeur pécuniaire. Mais dans une économie circulaire, il faut récupérer le plus possible de matériaux, et les membres du Nickel Institute y mettent vraiment du leur. Des procédés exclusifs Chaque producteur de nickel engagé dans le recyclage des DEEE emploie ses propres procédés de traitement, qui sont
souvent exclusifs. Tout commence par un prétraitement, car les DEEE contiennent beaucoup de plastiques, céramiques et autres matériaux non métalliques relevant de filières distinctes, la fraction métallique étant la plus intéressante. À ce stade, l’acier des appareils peut être prélevé par séparation magnétique et envoyé à des aciéries pour un recyclage direct. Le broyage, par exemple des cartes de circuit imprimé, voire des téléphones entiers, peut faciliter la séparation des matériaux. Certaines entreprises établissent des chaînes de recyclage distinctes pour les différents types d’accumulateurs, dont les quantités à recycler devraient augmenter rapidement à mesure que les batteries de véhicules électriques arrivent en fin de vie. Les procédés mis en œuvre dans la récupération des métaux, notamment du cuivre, du nickel et des métaux précieux, incluent la pyrométallurgie (à haute température), l’hydrométallurgie (dissolution acide), ou les deux. Quelques entreprises arrivent à récupérer d’autres éléments utilisés dans les composants électroniques, notamment l’indium, le sélénium, le bismuth et d’autres métaux présents en quantités encore plus infimes. Une matière première importante Certaines entreprises membres du Nickel Institute traitent déjà des DEEE depuis plus de 30 ans. Ces déchets constituent une source de matière première importante et elles sont prêtes à en recycler de plus grandes quantités dans le futur. Les matériaux devenus déchets ont été extraits du sol il y a fort longtemps et peuvent être de nouveaux transformés en composants électroniques neufs pour satisfaire les besoins actuels. Même si la quantité de nickel présente dans les DEEE est relativement faible, le secteur du nickel contribue activement à l’effort commun visant à établir une économie circulaire.
« Vale recourt depuis longtemps au traitement pyrométallurgique pour recycler les matériaux, mais étudie aussi des procédés hydrométallurgiques. Notre schéma de processus est robuste et offre plusieurs options de traitement pour ces matériaux, et nous continuerons à faire progresser notre capacité à recycler la masse noire. » — Vale
« Notre convertisseur de Rönnskär, dans le nord de la Suède, est l’une des plus grandes installations au monde pour le recyclage des métaux contenus dans les déchets électroniques. De plus, cette unité réduit ses émissions au strict minimum et son procédé sert aussi à alimenter un réseau de chauffage urbain. » — Boliden
« Nous avons recyclé plus d’un million de tonnes de déchets électroniques depuis les années 1990. » — Glencore
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UN USAGE VITAL DU NICKEL : LA PRODUCTION DES VACCINS
Si les années 2020 et 2021 ont surtout été marquées par tous les maux découlant de la Palette de filtration tangentielle employée dans la production des vaccins
pandémie de COVID-19, elles ont aussi donné lieu à de grandes avancées dans la mise au point de vaccins susceptibles de la contenir et apportant ainsi une lueur d’espoir. La capacité des chercheurs, des laboratoires biopharmaceutiques et des pouvoirs publics à créer, produire et déployer rapidement des vaccins très efficaces restera sans doute
COTTER BROTHERS CORP.
dans les annales comme l’un des plus grands tours de force de notre époque.
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Après la mise au point de ces nouveaux
Pour accélérer la production des vaccins,
vaccins, le défi consiste à en produire des
l’industrie a opté pour des moyens
centaines de millions de doses aussi vite
techniques à usage unique. Cela consiste
que possible, alors qu’on ne dispose pas
notamment à utiliser des bioréacteurs en
encore de capacités de production com-
matériaux polymères qui sont stérilisés
parables à celles des vaccins usuels. La
aux rayons gamma avant l’emploi, puis
construction, l’homologation et la mise
retirés et éliminés après un seul usage.
en service de nouvelles usines équipées
Cette méthode permet de se passer des
de bioréacteurs, d’unités de production
systèmes d’EPPI et de NEP, et donc de
d’eau pour préparations injectables
lancer la production beaucoup plus tôt.
(EPPI) et de systèmes de nettoyage en
Le matériau le plus largement utilisé
place (NEP) peuvent prendre 18 mois ou
dans l’équipement des usines pharma-
plus. En pleine pandémie, ce délai est
ceutiques usuelles est l’acier inoxydable
simplement trop long.
au nickel de nuance 316L (UNS S31603),
parallèle à celle-ci. Une partie du flux (le
fortement alliées ou à des alliages de
perméat) traverse la membrane, tandis
nickel pour les procédés nécessitant une
que le reste (le rétentat) est renvoyé vers
plus grande résistance à la corrosion.
la pompe d’alimentation et remis en
L’emploi de poches en polymère à usage
circulation. Cette purification s’effectue
unique comme bioréacteurs permet d’utiliser moins d’acier inoxydable et d’autres alliages résistants à la corrosion qu’avec les moyens de production usuels.
sur une palette de filtration intégrant un châssis en acier poli de nuance 304L et une tuyauterie de circulation en acier électropoli de nuance 316L.
Même si ces poches jetables remplacent
Le matériel de l’industrie pharmaceu-
une partie des aciers inoxydables aus-
tique répond le plus souvent à la norme
ténitiques au nickel, ceux-ci continuent
américaine ASME BPE, qui porte sur les
de jouer un rôle vital dans la production
matériaux, la conception, la fabrication,
des vaccins. Les poches en polymère
l’inspection, la mise à l’essai et l’homo-
des bioréacteurs doivent être disposées
logation des équipements pour procédés
dans des enceintes assurant leur support
biopharmaceutiques nécessitant un degré
mécanique et leur régulation thermique.
d’hygiène élevé.
Celles-ci sont en acier inoxydable poli de
La demande mondiale de vaccins contre
nuance 304L (S30403), afin de maintenir l’hygiène et la facilité de nettoyage du milieu de production.
Grandes enceintes parallélépipédiques utilisées dans la production des vaccins
la COVID-19 va se maintenir pendant quelque temps et donnera lieu à terme à la construction d’unités de production
La purification du vaccin est une étape
traditionnelles. En attendant, les
incontournable du procédé. Dans les
bioréacteurs à usage unique demeurent
bioréacteurs à usage unique, elle se fait
indispensables à la production rapide de
par filtration tangentielle. Cette technique
ce moyen de lutte vital. Et dans tous les
consiste à balayer la surface d’une
cas, les alliages au nickel resteront des
membrane filtrante avec le liquide à filtrer
matériaux essentiels à la fabrication des
en maintenant le flux dans une direction
équipements.
COTTER BROTHERS CORP.
qui peut faire place à des nuances plus
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NICKEL : LE MÉTAL SOCIABLE
Le nickel s’allie facilement au fer, au cuivre, au chrome, au molybdène, au titane, au cobalt et au tungstène pour produire des alliages indispensables à de nombreux domaines techniques.
Vous souvenez-vous du temps où un bulletin scolaire pouvait porter la mention « s’entend bien avec les autres » ? Elle peut aussi s’appliquer au nickel, un élément adaptable s’alliant bien avec la plupart des métaux. De fait, la diversité des alliages au nickel et de leurs utilisations est incomparable. Le nickel forme des alliages binaires (à deux éléments) avec le cuivre, le molybdène, le titane, le fer et le chrome. Il forme aussi des alliages ternaires dont le fer est le troisième élément, soit parce que sa présence est essentielle pour obtenir les propriétés voulues, soit parce qu’elle réduit le coût du matériau sans compromettre lesdites propriétés. Il sert enfin à former des alliages multiconstitués contenant plusieurs des éléments susmentionnés, en particulier les aciers inoxydables résistants à la corrosion et les alliages à base de nickel. La présence de chrome, de molybdène et
d’autres éléments procure de la résistance à la corrosion, mais le nickel est essentiel au maintien d’une microstructure austénitique conférant à ces alliages leur excellente aptitude au formage et au soudage. Et les concentrations en nickel requises augmentent avec celles de ces autres éléments. Grâce à cette « sociabilité » du nickel, il est possible de créer de nombreux alliages résistants à la corrosion sans lesquels la plupart des composés chimiques utilisés dans l’industrie seraient plus difficiles et plus coûteux à produire, car il faudrait alors faire appel à des métaux moins satisfaisants.
Composition (% en poids)* Désignation Alliages binaires
Alliages ternaires Alliages multiconstitués Aciers inoxydables résistants à la corrosion et alliages à base de nickel
UNS
Ni
Autres
Alliage 400 Cu-Ni 70-30 Alliage B-2 Nitinol Alliage 36 Nichrome 80-20 Kovar ® Alliage 80 Alliage 600 Alliage 33 MP35N® Alliage 188 Alliage 617 316 Inox à 6 % de Mo Alliage 625 Alliage C-276 Alliage 718
N04400 C71500 N10665 N01555 K93600 N06003 K94610 N14080 N06600 R20033 R30035 R30188 N06617 S31600 S31254 N06625 N10276 N07718
66 30 72 55 36 80 29 80 75 32 35 22 54 10 18 60 58 52
Cu (32) Cu (70) Mo (28) Ti (45) Fe (64) Cr (20) Co (17), Fe (54) Mo (5), Fe (14) Cr (15), Fe (8) Cr (33), Fe (34) Co (35), Cr (20), Mo (10) Co (40), Cr (22), W (14) Co (12,5), Cr (22), Mo (9) Cr (16), Mo (2), Fe (70) Cr (20), Mo (6), Fe (55) Cr (21), Mo (8), Nb (3,5), Fe (4) Cr (15), Mo (16), Fe (5), W (3,5) Cr (19), Nb (5), Mo (3)
Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Mémoire de forme et superélasticité Faible dilatation Éléments chauffants électriques Faible dilatation Perméabilité magnétique élevée Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Résistance élevée aux contraintes et à la corrosion Service à haute température Service à haute température Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Résistance à la corrosion Résistance élevée aux contraintes et à la corrosion
310 330
S31000 N08330
20 35
Cr (25), Fe (52) Cr (19), Si (1,2), Fe (44)
Service à haute température Service à haute température
* Parts approximatives des principaux éléments
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Caractéristiques
L’INVAR : UN ALLIAGE QUI VAUT UN NOBEL
À mesure qu’on augmente la teneur en nickel de l’alliage au-delà de 36 % et jusqu’à 50 %, son coefficient de dilatation thermique augmente lui aussi. Cela a conduit à mettre au point toute une famille d’alliages fer-nickel présentant un coefficient de dilatation thermique optimisé pour des plages de température bien définies, qui sont appelés alliages à dilatation contrôlée.
requis pour fabriquer des pièces en
Il est alors possible de choisir des alliages dont les coefficients de dilatation correspondent à ceux des différents verres et céramiques de manière à produire des joints verre-métal et céramique-métal hermétiques et à protéger ainsi les appareils électroniques des gaz et des liquides. De tels alliages permettent aussi de produire les moules
également à fabriquer des membranes de
EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES
Dans la plage allant de la température ambiante à la chaleur maximum d’un four de cuisine (260 °C environ), l’alliage de carbone et de fer qui constitue l’acier se dilate. Le plus souvent, cette dilatation thermique n’est ni perceptible ni assez importante pour poser problème, mais pour certains équipements, comme les appareils de mesure de précision et les horloges mécaniques, elle crée des difficultés considérables. En 1895, le physicien suisse Charles-Édouard Guillaume a découvert qu’un alliage contenant 64 % de fer et 36 % de nickel présentait un coefficient de dilatation exceptionnellement faible, ce qui lui a valu d’être lauréat du prix Nobel de physique en 1920. Cet alliage a été baptisé Invar (d’après « invariable ») pour évoquer sa relative absence de dilatation ou de contraction dans la plage de température de 20 °C à 100 °C, où son coefficient de dilatation thermique équivaut à peu près au dixième de celui de l’acier ordinaire. matériaux composites selon les tolérances étroites requises dans l’aérospatiale. Et les bilames constitués de deux
Le physicien suisse Charles-Édouard Guillaume, lauréat du prix Nobel
alliages présentant des coefficients de dilatation bien différents servent d’interrupteurs thermiques. Comme l’Invar conserve aussi de bonnes caractéristiques de résistance et de ténacité aux températures cryogéniques, il sert
L’Invar ® sert à fabriquer la membrane de confinement de certains méthaniers.
confinement pour les citernes de gaz naturel liquéfié. Les alliages fer-nickel de cette famille sont essentiels à la production des appareils de mesure de précision, des interrupteurs thermiques et des boîtiers protégeant les circuits électroniques.
Composition des alliages à dilatation contrôlée (% en poids) Fe
K93600
36
restant
Kovar®
K94610
29
restant
Alliage 42
K94100
41
restant
Alliage 52
N14052
52
restant
Co 17
ROLAND MOURON
Ni Invar 36 ®
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Le saviez-vous ? Les experts du Nickel Institute répondent à vos questions
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 confiance. https://inquiries.nickelinstitute.org/
Q R
Question : Les surfaces extérieures des canalisations en acier inoxydable enterrées nécessitent-elles des mesures de protection contre
la corrosion ? R : Il s’agit d’un sujet complexe, car la
drainé, ou lorsque le sol contient des
corrosivité du milieu dépend du type de
espèces chimiques corrosives telles
sol et peut aussi varier selon l’époque
que des chlorures, il ne reste plus
de l’année. En général, les canalisations
qu’à utiliser un acier inoxydable plus
et citernes en acier enterrées souffrent
résistant à la corrosion, tel que ceux
de corrosion lorsque le sol présente une
des nuances 2205 (S32205), 2507
ou plusieurs des conditions suivantes :
(S32750) ou à 6 % de Mo (S31254), ou
• humidité élevée ; • pH inférieur à 4,5 ; • résistivité inférieure à 1 000 Ω·m ; • présence de chlorures, de sulfures et
EN
NICKEL
LIGNE
de bactéries ;
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Voici deux documents apportant des
Un bon compactage du sol excluant
Soil Corrosion Test for Stainless Steel
bien l’oxygène devrait freiner la
Pipes – 10-year Burial Test Result
corrosion. Les sols perméables
Report (à télécharger gratuitement sur
s’asséchant vite, généralement situés
www.nickelinstitute.org)
au-dessus de la nappe phréatique, sont moins corrosifs que ceux qui restent longtemps humides. Les chlorures présents dans les sols situés près de la mer ou aux abords des routes déglacées par épandage de sels de voiries peuvent poser des problèmes. Et la matière
SUIVEZ-NOUS sur Twitter : @NickelInstitute
sous influence microbiologique.
alimenter une activité microbienne susceptible d’entraîner une corrosion
Dans la plupart des cas, l’acier inoxydable de nuance 316L (UNS S31603) est un alliage adéquat. Mais lorsque la corrosivité du sol ne peut pas être atténuée au moyen d’un remblai bien
14 | NICKEL, VOL. 36, Nº 3. 2021
dommages mécaniques.
informations utiles à ce sujet :
organique ou les sulfures peuvent
VISIONNEZ les vidéos de la chaîne YouTube du Nickel Institute : www.youtube.com/user/NickelInstitute
s’utilisent guère en raison du risque de
• présence de courants vagabonds.
CONSULTEZ LES ANCIENS NUMÉROS de la revue Nickel dans nos archives en ligne, qui remontent jusqu’à juillet 2009. www.nickelinstitute.org/library/
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encore à envelopper les canalisations de ruban de paraffine. Les enduits ne
Corrosion Resistance of Stainless Steels in Soils and in Concrete, par Pierre-Jean Cunat (à télécharger gratuitement sur www.worldstainless.org)
Nouvelles publications Parution de deux nouvelles
inoxydable dans la construction des bâti-
normes AISC
ments et des ouvrages d’art. Il s’agit des
L’AISC (American Institute of Steel
premières normes américaines portant
Construction) vient de publier deux
sur l’utilisation structurale des profilés
nouvelles normes portant sur l’acier
en acier inoxydable de forte épaisseur
inoxydable :
laminés à chaud et soudés, d’où leur
ANSI/AISC 370-21 (Specification
importance. Les codes AISC sont
for Structural Stainless Steel
utilisés par les ingénieurs en structure de
Buildings) et ANSI/AISC 313-21 (Code
nombreux pays du monde.
of Standard Practice for Structural
Nancy Baddoo, du Steel Construction
Stainless Steel Buildings). Elles sont
Institute (Royaume-Uni), et Catherine
disponibles en téléchargement gratuit au
Houska, consultantes du Nickel Institute
lien suivant : www.aisc.org/publications/
et de Team Stainless, ainsi que des
steel-standards/
aciéristes et des fabricants, ont participé
Ces normes très attendues aideront
au fil des trois dernières années à la
ingénieurs, architectes et prescripteurs
mise au point de ces nouvelles normes
de matériaux à tirer pleinement parti
importantes en étroite collaboration avec
des propriétés exceptionnelles de l’acier
l’AISC.
Nouvelles vidéos : Nickel Enabling Clean Energy (le nickel au cœur des énergies propres) Le Nickel Institute a produit une brève vidéo soulignant la place du nickel au cœur des technologies appuyant la lutte contre les changements climatiques. Cette vidéo vivante et captivante présente une industrie qui prend ses responsabilités, qui reconnaît
qu’il y a plus à faire et qui fournit un produit jouant un rôle capital dans les technologies énergétiques propres. À voir sur le site Web et sur la chaîne YouTube du Nickel Institute. nickelinstitute.org
Codes UNS UNS
Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).
C
Cr
Cu
Fe
Mn
Mo
N
Ni
P
S
Si
S30403 p. 11
0,03 max.
18,0 à 20,0
-
restant
2,00 max.
-
-
8,0 à 12,0
0,045 max.
0,030 max.
1,00 max.
S30888 p. 2
0,03 max.
19,5 à 22,0
0,50 max.
restant
1,0 à 2,5
0,75 max.
9,0 à 11,0
0,03 max.
0,03 max.
0,65 1,00
S31254 p. 14
0,020 max.
19,5 à 20,5
0,50 à 1,00
restant
1,00 max.
6,0 à 6,5
0,18 à 0,22
17,5 à 18,5
0,030 max.
0,010 max.
0,80 max.
S31603 p. 5, 10, 11, 14, 16
0,030 max.
16,0 à 18,0
-
restant
2,00 max.
2,00 à 3,00
-
10,0 à 14,0
0,045 max.
0,030 max.
1,00 max.
S32205 p. 14
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.
S32750 p. 14
0,030 max.
24,0 à 26,0
-
restant
1,20 max.
3,0 à 5,0
0,24 à 0,32
6,0 à 8,0
0,035 max.
0,020 max.
0,80 max.
NICKEL, VOL. 36, Nº 3. 2021 | 15
© IWAN BAAN
LUMA ARLES : UNE TOUR RESPLENDISSANTE La ville d’Arles, immense carrefour rhodanien entre Crau, Alpilles et Camargue, s’est enrichie d’un nouveau joyau architectural : une tour de 56 m aux contours audacieux et resplendissants. Sa façade d’aspect torsadé s’élève au-dessus d’une vaste rotonde en verrière cylindrique et se compose de 11 000 briques d’acier inoxydable disposées de manière irrégulière et ponctuées de fenêtres en baie. Imaginée par Frank Gehry, lauréat du prix Pritzker d’architecture, elle rend hommage aux paysages environnants, à
© ADRIAN DEWEERDT
l’urbanisme romain de la vieille ville et à l’œuvre de Vincent van Gogh, qui fut son plus illustre habitant à son époque. Elle siège au cœur du Parc des Ateliers, un campus créatif interdisciplinaire établi sur le site d’une ancienne gare de triage abandonnée en 1986. Frank Gehry explique l’idée directrice La rotonde cylindrique formant le socle de la tour évoque les arènes d’Arles, un amphithéâtre romain à deux niveaux construit vers l’an 90 de notre ère. Les étages supérieurs, parés d’acier inoxydable, s’inspirent de La nuit étoilée, la fameuse toile de Vincent van Gogh, peinte en 1889 pendant son séjour à l’asile du monastère Saint-Paul-de-Mausole.
16 NICKEL, | NICKEL,VOL. VOL.36,36,NºNº3.3.2021 2021
de son projet : « La façade du nouveau bâtiment s’inspire des sommets calcaires des Alpilles. Son apparence évolue au fur et à mesure qu’on en fait
l’héritage industriel du site immédiat. » Les briques revêtant la façade ont été confectionnées à partir de 220 tonnes de tôle d’acier inoxydable de nuance 316L
le tour, car la lumière se reflète diffé-
(UNS S31603) obtenue par laminage à
remment sur chacune de ses briques.
froid et légèrement gaufrée afin de
Reproduites en tôle d’acier inoxydable,
relâcher la tension de leur surface et
elles rappellent à la fois la tradition des
d’obtenir ainsi la plus grande réflectance
édifices en maçonnerie de la région et
possible.