Un alliage exotique trouve un créneau
Des rouleaux en aluminide de nickel prêts à être livrés.
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Des rouleaux dans un four de traitement thermique.
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Une cloque qui s'est formée sur le noyau en acier inoxydable pendant l'utilisation du rouleau.
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Une cloque est poncée manuellement pour éviter tout endommagement des plaques.
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L'aluminide de nickel, un alliage intermétallique, réduit le coût du traitement thermique. Par
Gerald Crawford
Nickel magazine, April 8, 2003 --L'aluminide de nickel (Ni3Al), un matériau intermétallique, permet aux producteurs de réduire les coûts d'énergie, de recyclage de produits et d'investissement liés à l'austénitisation, à la cémentation et à d'autres procédés de traitement thermique.
Cet alliage avancé avec une teneur en nickel de 80 % commence à concurrencer des matériaux plus conventionnels dans certaines applications. À titre d'exemple, un four pour l'austénitisation de plaques d'acier dans l'usine Burns Harbour de la société Bethlehem Steel à Chesterton, Indiana, États-Unis, comporte plus de 130 tonnes de cet alliage sous forme de rouleaux-transfert tandis qu'un four de cémentation dans l'usine de composants automobiles de la société Delphi Saginaw Steering Systems à Saginaw, Michigan, États-Unis, comporte plus de 110 tonnes de ce matériau sous forme de différents composants.
Avec la généralisation de nouvelles applications comme par exemple des brûleurs rayonnants et des rouleaux étanches (actuellement à l'épreuve), la demande pourrait doubler d'ici deux ans.
Développé en coopération entre l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Ministère de l'Énergie des États-Unis au Tennessee, États-Unis, et la Delphi Automotive Systems Corp. implantée à Troy, Michigan, États-Unis, cet alliage se durcit à environ 900° C. Cela est dû à sa structure hautement ordonnée et à sa résistance au fluage, caractéristiques qui sont à l'origine de ses performances supérieures.
Connu aussi sous le nom d'IC-221M, cet alliage contient du nickel dans une combinaison avec de l'aluminium, du chrome, du molybdène, du zirconium et du bore. L'ajout du bore est critique pour l'augmentation de la ductilité de l'alliage, et c'est cette découverte qui a permis sa production commerciale. Cet alliage est proposé par une demi-douzaine de concessionnaires aux États-Unis qui appliquent le procédé Exo-Melt™ de l'ORNL.
L'IC-221M est supérieur aux alliages conventionnels. À titre d'exemple, les rouleaux-transfert conventionnels réalisés dans l'alliage d'acier HP résistant à la chaleur ( N08705, avec 25 % de chrome et 35 % de nickel) cloquent s'ils sont utilisés à une température de 950° C, ce qui a plusieurs conséquences onéreuses :
Le four doit être éteint chaque semaine pour poncer les cloques de la surface des rouleaux. Il en résulte une déperdition de chaleur et une diminution de la production.
Jusqu'à 40 % des plaques d'acier produites sont d'une qualité inférieure en raison de rayures causées par les cloques, ce qui entraîne une baisse des revenus.
En plus, les rouleaux doivent être remplacés fréquemment, parfois même annuellement, ce qui entraîne des coûts de remplacement conséquents.
Les rouleaux en aluminide de nickel, par contre, ne cloquent pas et n'ont pas besoin d'être poncés, ce qui permet aux producteurs de réduire leurs coûts d'énergie et d'augmenter leurs revenus de la production. Par ailleurs, ils présentent une durée de vie trois à cinq fois supérieure à celle des rouleaux en alliage d'acier, ce qui permet de réduire le coût du cycle de vie.
Les composants en alliages d'acier conventionnels dans les fours de cémentation engendrent d'autres problèmes : La défaillance catastrophique d'un composant peut provoquer le blocage du four, qui doit alors être éteint, ce qui entraîne une déperdition d'énergie et éventuellement un risque pour la qualité du produit en train d'être traité. Les composants en aluminide de nickel, par contre, présentent une durée de vie trois fois supérieure à celle des composants en acier, ce qui permet de réduire tant le nombre de composants nécessaires que le nombre de fours nécessaires pour un taux de production donné. Par conséquent, les coûts d'énergie, les coûts de remplacement du produit et les coûts de capital sont moins élevés avec l'alternative en aluminide de nickel.
Il n'y a que peu de matériaux de construction qui soient mis au point sans que leur développement pose des défis techniques. L'alliage IC-221M n'est pas une exception à cette règle. Les caractéristiques qui sont à la base des performances impressionnantes de l'aluminide de nickel, c'est-à-dire sa structure stable et hautement ordonnée et sa résistance élevée au fluage, sont en même temps responsables du fait que ce matériau est difficile à souder. Dans le cadre d'applications de rouleaux, par exemple, le soudage est essentiel pour fixer le tourillon au noyau du cylindre. Cela représentait un problème lors des essais initiaux mais entre temps, la technologie de soudage a tellement progressé que des procédés MIG automatisés permettent aujourd'hui la réalisation de soudures conséquentes et reproductibles.
Il n'est pas étonnant que les coûts initiaux de l'aluminide de nickel puissent s'élever au double du prix des alliages d'acier conventionnels résistant à la chaleur. Par contre, les coûts du cycle de vie de l'alternative en aluminide de nickel sont nettement mois élevés en raison de ses performances. En conséquence, nous allons sans doute assister à une augmentation de la proportion de Ni3Al contenue dans des rouleaux, des composants, des brûleurs et d'autres applications.
L'alliage IC-221M est couvert par l'ASTM A1002-99, 'Standard Specification for Castings, Nickel-Aluminum Ordered Alloy'.
Gerald Crawford, Ph.D., P.Eng, est un consultant du Nickel Development Institute basé à Toronto.
Photos: ORNL
Dr. Vinod Sikka |
