Alliages au nickel et alliages spéciaux

À propos du matériau

Nickel and special alloys are used wherever conventional stainless steels reach their limits – for example, at extreme temperatures, in highly aggressive chemical media or for components with the highest requirements in terms of mechanical strength and dimensional stability.

Their special properties result from the targeted combination of nickel with other elements such as chromium, molybdenum, niobium, iron or cobalt. As a result, corrosion and oxidation resistance, thermal expansion, mechanical strength and deformability can be widely adjusted.

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Alliages nickel-fer

Les alliages nickel-fer tels que l’alliage 42 (matériau n° 1.3917, env. 42 % Ni) et l’alliage 36 (1.3912, env. 36 % Ni) se caractérisent par un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Ils sont utilisés partout où une stabilité dimensionnelle maximale est requise en cas de variations de température.

Sur le plan mécanique, ces alliages Fe-Ni se situent dans la plage de résistance moyenne, généralement entre 500 et 700 MPa de résistance à la traction. Ils sont bien déformables, mais ne durcissent guère sous traitement thermique. En règle générale, ils sont livrés recuits ductiles. L’un des inconvénients par rapport aux aciers inoxydables est l’absence de passivation de chrome, ce qui limite leur résistance à la corrosion. Ternissement ou rouille peuvent apparaître dans un environnement humide.

Les domaines d’application typiques sont les suivants :

• Industrie horlogère : les alliages 36 et 42 sont utilisés pour les ressorts pendulaires, les spiraux de balanciers et les pièces de commande indépendantes de la température afin de garantir la précision de marche.
• Technique de mesure de précision : dans les interféromètres, les échelles ou les balances de laboratoire, les barres ou rubans en alliage 36 empêchent les variations de longueur indésirables et garantissent une précision de mesure maximale.
• Électronique : l’alliage 42 est utilisé dans les traversées verre-métal (p. ex. boîtier hermétique pour transistors ou capteurs), car son comportement de dilatation est parfaitement adapté au verre, ce qui permet un scellement étanche et fiable.
• Systèmes optiques et technique spatiale : les alliages 36 sont utilisés dans les cadres, les supports ou les systèmes de support d’appareils optiques (p. ex. résonateurs laser, télescopes, antennes satellites) afin de réduire les déformations dues à la chaleur.
• Géodésie : dans des lattes en alliage 36, la dilatation extrêmement faible évite les erreurs de longueur lors des changements de température. Idéal pour les nivelages de précision.

Les alliages nickel-fer sont donc le premier choix partout où il est nécessaire de disposer de composants soumis à des sollicitations mécaniques modérées, mais avec une stabilité géométrique élevée.

Alliages à base de nickel

Les alliages à base de nickel, connus sous des noms de marques tels que Hastelloy ou Inconel, offrent une excellente combinaison de résistance à la corrosion et de résistance aux températures élevées. Ils contiennent au moins 50 % de nickel et sont associés, selon le type d’alliage, à d’autres éléments tels que le chrome, le molybdène, le fer, le niobium, le tungstène, l’aluminium, le titane ou le cobalt.

Un représentant polyvalent de ces alliages est le Hastelloy C-276 (matériau n° 2.4819), un alliage Ni-Cr-Mo-W. Il est considéré comme un matériau de référence pour les environnements fortement corrosifs, en particulier en présence d’ions de chlorure. La forte concentration de nickel et de molybdène prévient efficacement la corrosion caverneuse et par piqûres, même en présence d’acides mixtes.

L’Inconel 625 (2.4856) est un alliage Ni-Cr-Mo présentant une excellente résistance à l’oxydation et une résistance mécanique élevée jusqu’à environ 980 °C. Une couche d’oxyde de chrome résistante protège la surface même sous contrainte thermique.

L’Inconel 718 (2.4668) contient en outre du niobium, de l’aluminium et du titane. Grâce au durcissement par précipitation, il atteint des valeurs de résistance extrêmement élevées (jusqu’à environ 1400 MPa) tout en ayant une bonne résistance à la chaleur et une bonne ténacité.

Les alliages à base de nickel sont non seulement solides et résistants à chaud, mais aussi extrêmement résistants aux attaques chimiques par des acides, des bases, des chlorures ou du H₂S. 

Domaines d’application typiques :

• Technique chimique et des procédés : réacteurs, vannes, pompes dans des milieux chauds et agressifs
• Industrie pharmaceutique/biotechnologique : p. ex. Hastelloy C-276 dans des environnements chlorés et acides
• Épuration des gaz d’échappement : installations de désulfuration des gaz industriels
• Aéronautique et aérospatiale : Inconel 625 pour les systèmes d’échappement des avions ; Inconel 718 pour les aubes de turbine, les roues de compresseur, les carters de moteur
• Installations offshore et énergétiques : vannes, têtes de forage (sour gas), turbines à gaz, chaudières de centrales
• Technique de haute température : ressorts, vis, joints, douilles de capteurs
• Technique nucléaire : composants de réacteurs résistants à la corrosion sous l’influence du rayonnement

Les matériaux à base de nickel permettent un fonctionnement fiable dans des conditions extrêmes, là où les matériaux traditionnels ne suffisent plus.

Alliages au nickel résistants à la chaleur

Des alliages nickel-chrome spéciaux ont été développés pour les applications à des températures extrêmement élevées (plus de 1000 °C environ). Il s’agit notamment d’alliages classiques pour conducteurs chauffants tels que le NiCr 60/15 (matériau n° 2.4867) et le NiCr 80/20 (2.4869) avec une teneur en nickel d’environ 60 à 80 %, ainsi que d’alliages très résistants à la chaleur tels que le 80A / NiCr20TiAl, qui contient en outre du titane et de l’aluminium.

Ces alliages proposent une résistance élevée à l’oxydation ainsi qu’une excellente stabilité structurelle thermique. Ils conservent leur forme et leur structure même en cas d’incandescence prolongée. Ils sont par ailleurs de bons conducteurs électriques à l’état chauffé. Pour être plus précis : ils présentent une résistance spécifique stable, ce qui est décisif pour le fonctionnement du chauffage. Ils présentent également une excellente résistance aux changements de température rapides (choc thermique) et conservent leur stabilité dimensionnelle même sous charge cyclique.

Les domaines d’application typiques sont les suivants :

• Construction de poêles et de chauffages : fils et rubans chauffants pour fours industriels, grille-pain, sèche-cheveux, radiateurs en céramique
• Applications thermoélectriques : thermistances, bougies de préchauffage, sondes de température
• Vis à haute température et petites pièces nécessitant une résistance à l’oxydation et une stabilité thermique

Les alliages nickel-chrome sont donc le premier choix pour les composants métalliques qui doivent être soumis à des sollicitations électriques ou rester mécaniquement stables à des températures élevées.

Alliage spécial à base de cobalt

Le Phynox est un alliage à base de cobalt-chrome-nickel aux propriétés exceptionnelles. Il associe biocompatibilité, non-magnétisabilité, résistance élevée à la corrosion et excellentes performances mécaniques, en particulier sous charge cyclique.

À l’état durci, le Phynox atteint des résistances à la traction de plus de 1500 MPa (comparables aux aciers à ressort de haute qualité), tout en restant suffisamment ductile. La dureté peut en outre être augmentée par des traitements ciblés contre le vieillissement, ce qui rend le matériau particulièrement approprié pour les ressorts, clips et pièces d’implants fortement sollicités. L’alliage se distingue en outre par une résistance à la fatigue exceptionnellement élevée : les ressorts en Phynox résistent à un nombre de cycles de flexion très élevé sans formation de fissures de fatigue.

La résistance à la corrosion est également excellente. Le Phynox résiste aux fluides corporels, à l’eau de mer et à de nombreux produits chimiques avec la même fiabilité que l’acier inoxydable. Il n’est pas magnétique, peut être stérilisé, n’est pas inflammable et ne présente aucun dégagement de gaz : idéal pour les environnements sensibles. Les performances du matériau restent stables sur une large plage de températures. À l’état non durci, l’alliage est facile à travailler, à souder et à braser.

Initialement développé pour la technique médicale, le Phynox présente aujourd’hui un large spectre d’applications :

• Technique médicale : instruments chirurgicaux, stents, implants cardiaques, implants, outils dentaires
• Mécanique horlogère et de précision : ressorts à spirale (p. ex. ressorts de balanciers dans les montres mécaniques), non magnétisables et résistants au vieillissement
• Technique de mesure et de capteurs : ressorts oscillants et clipsés, membranes dans les appareils soumis à des exigences élevées en matière de fatigue
• Aéronautique et aérospatiale : pièces de ressort et de fermeture pour lesquelles la résistance à la corrosion et l’absence d’aimant sont essentielles
• Électrotechnique : ressorts de contact, p. ex. dans les applications IRM où les matériaux magnétiques ne sont pas autorisés

Le Phynox compte ainsi parmi les matériaux à ressorts les plus performants : un matériau qui répond aux exigences les plus élevées dans les applications critiques en matière de sécurité et de fonctionnement.