2024/06/28
Meilleurs métaux pour les applications à haute température
Si vous avez besoin de pièces métalliques sur mesure pouvant fonctionner à des températures élevées, sachez que certains métaux sont particulièrement adaptés à vos besoins. Il s'agit généralement d'alliages résistants à la chaleur. Ces alliages possèdent une résistance et une résistance au fluage à haute température, ce qui signifie qu'ils ne se déforment pas sous l'effet d'une chaleur et d'une contrainte extrêmes. Les propriétés de résistance à la chaleur des alliages métalliques sont le résultat direct du traitement thermique, ce qui leur permet de résister à des températures allant jusqu'à 4 000 °C (7 232 °F).
Deux facteurs permettent aux alliages métalliques à haute résistance de supporter une chaleur aussi élevée : la structure des alliages (composants) et les liaisons entre les atomes. Ci-dessous, nous allons présenter six des meilleurs métaux à haute température, en décrivant leurs compositions, leurs caractéristiques et leurs applications. Grâce à ces informations, vous serez en mesure de mieux décider lequel de ces métaux résistants à la chaleur convient à votre solution.
Titane
Ce métal gris argenté est couramment utilisé pour fabriquer des alliages solides, légers, résistants à la chaleur et à la corrosion. Avec un point de fusion de 1668 °C (3034 °F), le point de fusion du titane n'est peut-être pas le plus élevé parmi les alliages résistants à la chaleur, mais il est tout de même assez élevé. Bien que considéré comme un métal rare, il est actuellement utilisé comme matériau standard pour la fabrication et l'ingénierie dans de nombreuses applications industrielles et grand public. Le titane est généralement produit à l'aide du procédé Kroll, où le dioxyde de titane est exposé au chlore gazeux pour produire du tétrachlorure de titane, qui réagit ensuite avec du magnésium pour éliminer tout chlore restant. Le titane est souvent décrit comme « spongieux » en raison des trous poreux formés dans sa structure lors de sa formation. Ce métal possède de nombreuses propriétés techniques avantageuses, dont les plus courantes sont : résistance à la chaleur, haute résistance, résistance à la corrosion, faible densité, légèreté, rigidité et ténacité. Une autre propriété remarquable est sa capacité à se mélanger à d'autres alliages, ajoutant une couche supplémentaire de résistance à la traction, de résistance à la chaleur et de ténacité à sa forme pure.En raison de son excellente intégrité structurelle, le titane est utilisé pour des applications hautes performances telles que les pièces automobiles (soupapes, ressorts de soupapes, dispositifs de retenue, bielles), les composants aérospatiaux (fuselage, fixations, trains d'atterrissage), la construction (matériaux de toiture, matériaux extérieurs), les équipements sportifs (clubs de golf, raquettes de tennis, vélos), le forage en mer (ponts marins, chapeaux de pieux), les dispositifs médicaux (os artificiels, stimulateurs cardiaques, instruments chirurgicaux) et l'industrie générale (raffineries, usines de dessalement). Étant donné que le titane peut résister à des températures élevées et empêcher la corrosion lorsqu'il est exposé à des polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), il a remplacé la plupart des composants en aluminium qui étaient principalement utilisés dans les avions avant les années 1960.
Tungstène
Comme le titane, le tungstène est un métal blanc argenté. Le nom « tungstène » vient des mots suédois « tung » et « sten », qui signifient « pierre lourde ». Ce nom est approprié car sa structure solide et son point de fusion élevé font du tungstène l'un des matériaux les plus résistants de la planète. Il a également le point de fusion le plus élevé de tous les métaux ou éléments de la planète (3 422 °C), ainsi que la résistance à la traction la plus élevée (142 000 psi). Pour cette raison, il est souvent utilisé pour former des alliages de métaux lourds, tels que l'acier rapide, pour divers outils de coupe. Le tungstène pur est difficile à façonner en raison de son aspect dur et de son point de fusion élevé, il est donc souvent transformé en poudre et mélangé à d'autres métaux en poudre pour produire différents alliages, qui sont ensuite utilisés pour diverses applications. La poudre de tungstène peut être mélangée à des métaux en poudre comme le nickel par un processus de frittage pour produire différents alliages aux propriétés améliorées.Les principales propriétés du tungstène sont les suivantes : densité élevée (19,3 g/cm³), point de fusion élevé, résistance à haute température, résistance à la traction élevée, résistance élevée à la corrosion (aucune protection supplémentaire contre l'oxydation n'est nécessaire pendant ou après la fabrication), métal pur le plus dur, faible pression de vapeur (la plus basse de tous les métaux), faible dilatation thermique et respect de l'environnement (ne se décompose pas). Le tungstène est difficile à former, il est donc principalement utilisé comme additif pour aider à la fabrication de divers alliages spéciaux. Les applications comprennent les composants aérospatiaux, les pièces automobiles, les fils à filament (pour l'éclairage), la balistique militaire, les casques de téléphone portable, les équipements de découpe, de perçage et d'alésage, les applications chimiques, les appareils électriques et à électrodes. Sous sa forme pure, le tungstène est également utilisé pour de nombreuses applications électroniques, telles que les électrodes, les contacts, les feuilles, les fils et les tiges. De plus, les bijoutiers l'utilisent souvent pour fabriquer des colliers et des bagues en raison de sa densité, qui est la même que celle de l'or, mais avec moins de lustre et une structure plus dure.
Acier inoxydable
L'acier inoxydable est un alliage composé de trois métaux différents : le fer, le chrome et le nickel. Ces trois éléments sont combinés à l'aide d'un processus de traitement thermique spécial pour former l'acier inoxydable. Ce processus peut être résumé comme suit : fusion, réglage/agitation, façonnage, traitement thermique, découpe/formage/finition. Parmi ses nombreuses caractéristiques, les deux propriétés techniques les plus populaires de l'acier inoxydable sont sa résistance à la corrosion et son respect de l'environnement. L'acier inoxydable est souvent qualifié de « matériau vert » car il peut être recyclé à l'infini. Quant à sa résistance à la chaleur, le point de fusion de l'acier inoxydable varie de 1 400 à 1 530 °C (2 550 à 2 790 °F). La raison de cette plage plutôt que d'un nombre exact est la différence de quantités d'éléments mélangés, qui se combinent pour former différentes qualités d'acier inoxydable.Les trois éléments de l'acier inoxydable ont des points de fusion différents : le fer (1 535 °C à 2 795 °F), le chrome (1 890 °C à 3 434 °F) et le nickel (1 453 °C à 2 647 °F). Selon la quantité de l'un des trois éléments utilisés, le point de fusion final sera affecté à un degré plus ou moins élevé. Cependant, le point de fusion se situe presque toujours entre les valeurs moyennes susmentionnées. En raison de ses performances de fabrication et d'ingénierie idéales, l'acier inoxydable est largement utilisé dans de nombreuses applications, notamment la résistance à la corrosion, la résistance aux hautes températures, la résistance aux basses températures, la résistance élevée à la traction, la durabilité (à haute température et dans des conditions difficiles), la facilité de fabrication et de formabilité, le faible entretien, l'aspect attrayant et le respect de l'environnement (recyclable à l'infini). Une fois utilisé, il ne nécessite ni peinture, ni traitement, ni revêtement, ce qui fait de son faible entretien l'une de ses qualités les plus appréciées.L'acier inoxydable est donc très populaire, notamment pour les applications suivantes : bâtiments (murs extérieurs, plans de travail, rampes, dosserets), ponts, couteaux en acier, réfrigérateurs et congélateurs (matériaux de finition), lave-vaisselle (matériaux de finition), unités de stockage des aliments, composants pétroliers, gaziers et chimiques (réservoirs de stockage, canalisations, pompes, vannes), stations d'épuration des eaux usées, usines de dessalement, hélices de navires, composants électriques (nucléaire, géothermique, solaire, hydraulique, éolien), turbines (vapeur, gaz). Le point de fusion élevé et la résistance élevée à la traction de l'acier inoxydable augmentent la résistance du produit aux contraintes, à la charge structurelle et au cycle de vie.
Molybdène
Ce métal blanc argenté (gris sous forme de poudre) est extrêmement ductile et très résistant à la corrosion. Son point de fusion et sa résistance à la chaleur sont également assez élevés. Le molybdène a un point de fusion de 2623 °C (4753 °F), le cinquième point de fusion le plus élevé de tous les métaux. Son point de fusion élevé permet aux composants en molybdène de fonctionner efficacement à des températures élevées, ce qui est utile pour les produits nécessitant une lubrification résistante à la chaleur. Le disulfure de molybdène est couramment utilisé comme lubrifiant sec dans les revêtements collés, les graisses et les dispersions pour augmenter la résistance à la chaleur. De plus, si nécessaire, la poudre de molybdène peut être convertie en blocs de métal dur par des procédés de métallurgie des poudres ou de coulée à l'arc. En d'autres termes, des formes solides de molybdène peuvent être utilisées pour les applications qui en ont besoin. Cependant, le molybdène est encore principalement utilisé sous forme de poudre en raison de ses nombreuses propriétés bénéfiques, notamment son point de fusion élevé, sa résistance à la chaleur, sa ductilité, ses propriétés non magnétiques et son aspect attrayant. Bon nombre de ces propriétés existent également sous forme solide.Le molybdène est également utilisé pour produire des alliages commerciaux qui sont durs, solides, conducteurs et très résistants à l'usure. Ces alliages sont utilisés dans des applications telles que l'armement, les pièces de moteur, les lames de scie, les additifs pour lubrifiants, les encres pour circuits imprimés, les filaments de chauffage électrique, les revêtements protecteurs (chaudières) et les catalyseurs pétroliers. Bien qu'il soit abondant dans la nature, le molybdène n'est pas disponible à l'état sauvage (1,1 ppm). Par conséquent, son coût est généralement légèrement supérieur à celui des autres métaux résistants à la chaleur, en particulier lorsque la demande de production d'acier est élevée, car il est souvent utilisé pour les revêtements en acier.
Nickel
Comme de nombreux autres métaux résistants à la chaleur de cette liste, le nickel est un métal de transition blanc argenté connu pour son point de fusion élevé (1455 °C à 2651 °F) et sa résistance à la corrosion. La résistance élevée du nickel à la corrosion le rend utile pour la galvanoplastie et le revêtement d'autres métaux, ainsi que pour la fabrication d'alliages tels que l'acier inoxydable. Le point de fusion élevé du nickel est le résultat direct de ses ions positifs et négatifs (protons et électrons) qui s'attirent pour former des liaisons solides qui restent intactes sous une pression et une chaleur immenses. Le nickel étant un métal naturel, présent en abondance dans les gisements terrestres, il n'est pas produit par un quelconque processus mais plutôt extrait de couches rocheuses (magnésium, fer ultramafique et roches mafiques ignées) que l'on trouve principalement dans les climats tropicaux. D'autre part, les alliages de nickel sont créés en combinant du nickel avec d'autres métaux comme l'aluminium, le titane, le fer, le cuivre et le chrome par un simple processus de traitement thermique. Ces alliages sont ensuite utilisés pour fabriquer divers produits pour différentes industries. Actuellement, environ 3 000 alliages à base de nickel sont utilisés.Les propriétés communes à toutes les variantes d'alliages de nickel comprennent la résistance, la ténacité, les propriétés magnétiques douces, la résistance à la corrosion, la résistance à la chaleur et la facilité de fabrication (bonne soudabilité). Comme mentionné précédemment, les alliages à base de nickel sont utilisés dans de nombreuses applications dans différentes industries, la liste étant assez longue. Elle peut être résumée comme suit : fours électriques, grille-pain, transformateurs, inducteurs, plaques blindées, arbres d'hélice marins, pales de turbine, revêtements en acier, alliages d'acier inoxydable, alliages résistants à la corrosion, batteries (nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique), amplificateurs magnétiques, blindage magnétique, dispositifs de stockage, bougies d'allumage, électrodes automobiles. Le nickel a une forte résistance à l'oxydation même à des températures extrêmes
Il résiste aux températures élevées et peut empêcher la corrosion électrochimique. Il constitue donc un excellent choix pour la fabrication d'alliages résistants à la chaleur et à la corrosion, essentiels pour les applications fonctionnant dans des environnements corrosifs et à haute température.
Tantale
Ce métal bleu-gris rare est connu pour sa structure extrêmement dure, son point de fusion élevé et sa résistance à presque toutes les formes d'acides corrosifs. Le point de fusion du tantale (3 020 °C) est le troisième plus élevé de tous les éléments. Le tantale brut se trouve généralement dans des gisements appelés columbite-tantalite (ou coltan). Une fois extrait, il est séparé du niobium et d'autres métaux présents dans les minéraux de l'une des trois manières suivantes : application électrolytique, réduction du tantale au fluorure de potassium avec du sodium ou réaction des carbures avec des oxydes. Le processus de réduction au thermite utilisant du sodium est probablement la méthode la plus populaire pour produire de la poudre de tantale, un matériau largement utilisé dans les applications électriques. Par rapport à d'autres matériaux de fabrication, le tantale permet une plus large gamme de variations de grains, ce qui contribue à réduire les coûts et à améliorer les capacités de conception et les propriétés mécaniques.Le tantale possède de nombreuses propriétés qui ont accru son utilisation au 21e siècle, notamment une stabilité élevée, une résistance élevée, une résistance à la corrosion (pas de dégradation chimique à basse température), une résistance à la chaleur, un point de fusion extrêmement élevé, une conductivité thermique, une conductivité électrique, une protection par couche d'oxyde (empêchant toutes les formes de corrosion, y compris l'oxydation et la corrosion acide), une facilité de fabrication, une ductilité, une densité et une dureté. Le tantale est souvent combiné à d'autres éléments pour produire des alliages avec des points de fusion et une résistance à la traction plus élevés. En termes d'applications, le tantale est principalement utilisé pour produire des composants pour l'industrie électrique. Cependant, en raison de sa résistance élevée à la chaleur et à la corrosion, il est également considéré comme un matériau de fabrication utile dans les industries aéronautique, de défense et chimique. Le tantale est couramment utilisé dans des applications telles que les condensateurs électrolytiques, les pièces de four à vide, les composants électroniques (circuits, condensateurs, résistances), les composants de réacteurs nucléaires, les équipements de traitement chimique, les pièces d'avion, l'armement, les outils chirurgicaux, les objectifs d'appareil photo, le traitement de surface de l'acier (revêtements) et les pesticides et herbicides.Parmi toutes les applications répertoriées, le tantale est le plus apprécié pour son utilisation dans les condensateurs électrolytiques, capables de stocker la charge la plus élevée par unité de n'importe quel condensateur.
Conclusion
Les métaux mentionnés dans le guide ci-dessus sont les six principaux matériaux résistants à la chaleur disponibles pour la fabrication de pièces métalliques personnalisées à haute température. Ils possèdent d'excellentes propriétés mécaniques et techniques, notamment une résistance à la corrosion, une résistance à la traction, une résistance à la fatigue, une ductilité élevée, une facilité de fabrication et une ténacité. Le métal résistant à la chaleur adapté à votre projet dépendra de ses exigences. Les informations ci-dessus peuvent vous aider à choisir le bon. Avant de prendre votre décision finale, n'oubliez pas de consulter un fabricant de métaux possédant l'expertise et l'expérience nécessaires pour faire correspondre le matériau approprié à votre application prévue.
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