Une visserie en métal réfractaire pour des conditions d

Une visserie en métal réfractaire pour des conditions
d’utilisation extrêmes : principes de base
par Martyn Lewis, Directeur Commercial, Goodfellow SARL,
[email protected]
Il existe sur le marché une vaste gamme d’éléments de
fixation répondant aux applications courantes, mais
que faire si votre application est soumise à de très
hautes températures ou à un environnement hautement
corrosif? Parfois les éléments de fixation couramment
vendues ne sont tout simplement pas à la hauteur de
vos exigences. Adoptez donc les visseries en métal
réfractaire. Les visseries en métal réfractaire, autrement
dit les écrous, les vis et les rondelles (ensemble un
boulon), sont ce qu’il y a de mieux dans des situations
qui impliquent des environnements soumis à de hautes
températures, à des tensions électriques élevées, au
magnétisme et à des conditions très corrosives.
On considère en général que les métaux réfractaires sont le tungstène, le tantale, le niobium, le
molybdène et le rhénium. Tous, sauf le rhénium, peuvent être utilisés dans la fabrication de visserie
métallique réfractaire. Si le rhénium n’est pas employé c’est entre autre à cause de son prix. Le rhénium
étant le plus cher de tous les métaux, un boulon standard M5x50 contiendrait quelque chose comme 75
euros de matière, sans parler des coûts de fabrication qui viendraient s’y ajouter.
Si l’on adopte une définition plus large des métaux réfractaires, on peut alors y inclure le titane, le
vanadium, le chrome, le zirconium, le ruthénium, le rhodium, le hafnium, l’osmium et l’iridium. Parmi
ces métaux, le titane se trouve très couramment employé sous forme de vis dans des applications
courantes comme les motos ou les VTT. On l’y emploie pour ses caractéristiques de légèreté et de
bonne résistance à la contrainte mécanique et à la corrosion.
Propriétés des métaux réfractaires
Les caractéristiques permettant d’identifier les métaux réfractaires sont leur résistance à la chaleur,
avec, notamment, un point de fusion supérieur à 2000°C (supérieur à 2400°C pour les quatre métaux
dont il est fait état ici), à la différence des aciers inoxydables dont le point de fusion s’établit aux
environs de 1400°C à 1500°C. Les autres caractéristiques à prendre en compte sont une dureté élevée
à température ambiante, une densité relativement haute, leur inertie chimique et leur résistance au
fluage à haute température. Par « fluage », on entend la tendance qu’ont les métaux à se déformer
lentement sous l’effet d’une contrainte, ce qui fait de la résistance au fluage une qualité d’importance
majeure pour les visseries soumises à des conditions extrêmes.
TABLEAU 1:
Propriétés des métaux réfractaires (purs à 99,9%)
Niobium[1]Molybdène[2]
Point de fusion (°C)
2468
2617
Point d’ébullition (°C)
4742
4612
Densité à 20˚C (g cm-3)
8,57
10,22
Module de traction (GPa)
104,9
324,8
Dureté Vickers
115-160
200-250
Tantale[3]
2996
5425
16,6
185,7
90-200
Tungstène[4]
3410
5660
19,3
411
360-500
TABLEAU 2:
Comparaison entre la résistance mécanique des matériaux utilisés pour
les visseries courantes et celle des métaux réfractaires
CHARGE DE RUPTURE
LIMITE
(aussi appelée « résistance D’ÉLASTICITÉ
ultime à la traction »)
MPaMPa
Acier inoxydable série 300
(recuit) 517-861[5] 206-690[5]
Acier inoxydable série 400
(martensitique, durci et trempé)
861-1241[5]655-930[5]
Visserie acier classe 8.8
800[6] 640[6]
Visserie acier classe 10.9
1040[6]900[6]
Visserie acier classe 12.9
1220[6]1080[6]
Molybdène (dur)620-690[2]550[2]
Molybdène (recuit)485-550[2]415-450[2]
Niobium (dur)585[1]550[1]
Niobium (recuit)330[1]240[1]
Tantale (dur)760[3]705[3]
Tantale (recuit)172-207[7]310-380[3]
Tungstène689[8]-4000[9] 517[8]-1570[10]
Clause de non-responsabilité: toutes les valeurs mentionnées dans cet article sont des valeurs intrinsèques données pour les
matériaux eux-mêmes plutôt que pour les visseries sauf mention contraire. Les performances effectives des visseries dépendent du
mode de fabrication, de leur degré de pureté et de leur composition ainsi que de l’environnement où elles sont utilisées. Les valeurs
indiquées sont données à titre de comparaison et n’impliquent en rien la garantie de performances minimales ou maximales d’une
quelconque pièce de visserie fournie par Goodfellow ou toute autre société. Le client se doit de tester toute pièce de visserie par
lui-même avant de l’incorporer dans un quelconque projet.
Normes dimensionnels en usage
pour la visserie
Il y a plusieurs normes auxquels il convient de
se référer lors de la spécification des pièces de
visserie. Dans le tableau 3 sont listées les tailles
métriques les plus courantes. Pour les pièces
filetées en pouces, d’autres normes sont applicables.
On peut se référer à un certain nombre de
normes, qui peuvent être différentes y compris
au sein d’un même système, et ce selon la taille
de la visserie recherchée. Il convient donc d’être
vigilant et de choisir la norme appropriée.
Entre autres choses, ces normes indiquent les
mesures et tolérances correspondant à la tête
du boulon, les caractéristiques du pas de vis et
de rugosité de surface. Ces normes donnent
également des précisions quant aux propriétés
mécaniques des pièces de visserie en acier,
mais celles qui sont fabriquées en métal
réfractaire appartiennent à une catégorie
spéciale et leurs propriétés mécaniques ne
sont pas traitées par les normes courantes.
Les normes définissent les dimensions des
pièces de visserie de façon à ce que les pièces
fournies par des fabricants différents puissent
être utilisées indifféremment.
TABLEAU 3:
Normes dimensionnelles en visserie
DIN / ISO
ANSI
Normes en vigueur *
Normes obsolètes
mais toujours
référencés
Écrou
ISO 4032:2012
Écrous hexagonaux
classiques (style 1) –
Classes produit A et B
DIN 934
ISO 8673:2012
Écrous usuels hexagonaux
(style 1) à petit pas métrique
Classes produit A et B
ASME B18.16M:2009
(Écrous autobloquants
et écrous à embase hex.
métriques
Vis
ISO 4017:2011
Vis à têtes hexagonales – Classes produit A et B
ASME B18.2.3.5M:2011
(Boulons métriques hex.)
DIN 933
ASME B18.2.6M:2012
(Boulons de série forte hex.)
- tailles M12 à M36
ASME B18.6.7M:2000
(Vis mécaniques métriques)
Rondelle
ISO 7089:2000
Rondelles usuelles – Série normale – Classe A
DIN 125
ASME B18.22M:2010
(Rondelles métriques
courantes)
* Les normes ISO actuellement en vigueur comprennent une gamme de tailles plus large que celle couverte par les normes DIN, mais, pour des tailles plus petites,
l’ancienne norme peut être considérée comme équivalente ou interchangeable dans de nombreux cas. Cependant il convient de bien vérifier que la spécification de la
pièce de visserie est conforme à la bonne norme et que les pièces sont interchangeables si nécessaire.
Aperçu sur les métaux réfractaires
Le tungstène présente le point de fusion le plus élevé
de tous les métaux (3410°C) et il est souvent à la base
d’alliages tungstène-cuivre-nickel utilisés dans les boucliers
thermiques; ces alliages offrent une densité de 50%
supérieure à celle du plomb. Les éléments de fixation
fabriqués en tungstène ou ses alliages peuvent par
conséquent être utilisés dans les applications destinées aux
blindages antiradiations et sont également employées dans
des applications militaires (blindages d’engins par exemple).
Le niobium trouve sa place dans des applications telles
que les réacteurs atomiques grâce à sa résistance à la
corrosion. Les éléments de fixation fabriqués à partir de
niobium ou de superalliages de nickel, de cobalt et d’acier
contenant du niobium sont utilisés dans la fabrication de
moteurs à réaction d’avions, de turbines à gaz, de sousensembles de fusées, de systèmes associés aux cellules
aéronautiques les plus perfectionnées, ainsi que des
installations de combustion résistantes à la chaleur.
Le tantale offre une résistance à la corrosion similaire à
celle du verre tout en ayant les propriétés mécaniques
d’un métal, ce qui en fait un matériau de choix dans des
environnements extrêmement corrosifs. Les éléments de
fixation fabriqués en tantale trouvent leur utilisation dans
les applications associées aux traitements chimiques, aux
exploitations minières, à la production d’énergie, aux
industries pharmaceutiques ou encore du traitement des
métaux. Le tantale est aussi opaque aux radiations ce qui
rend la visserie en tantale très utile dans les applications
mettant en jeu des rayons X.
Le molybdène conserve sa résistance sous haute
température, ce qui fait que la visserie en molybdène est
idéale dans les applications où une bonne résistance
mécanique à haute température est requise. Cette visserie
est utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs, la
fabrication de blindages et de pièces aéronautiques
ainsi que dans la fabrication de moteurs industriels.
Domaines d’application de la visserie en métal réfractaire
Selon le métal ou l’alliage utilisé, les éléments de fixation en métal
réfractaire trouvent leur utilisation dans les applications suivantes:
• Fours
• Blindages antiradiations
• Blindages d’engins
• Réacteurs atomiques
• Pièces de moteurs à réaction
• Turbines à gaz
• Sous-ensembles de fusées
• Cellules aéronautiques
• Matériel de combustion et
résistant à la chaleur
• Traitements chimiques
• Semi-conducteurs
• Moteurs industriels
L’étendue des applications dans lesquelles l’utilisation de la visserie
fabriquée à partir de métal réfractaire pur est appropriée peut être
limitée à cause de la nature de l’atmosphère concernée. Bien que
les quatre métaux dont il est question ici présentent un point de
fusion supérieur à 2400°C, il est à noter qu’ils sont susceptibles
à la corrosion à partir de températures bien plus basses et qu’il
convient par conséquent de veiller à les protéger le cas échéant.
Le tungstène s’oxyde au-dessus de 190°C, le molybdène
au-dessus de 395°C et le tantale et le niobium au-dessus de
425°C. Certes, dans les applications à haute température sous
vide ou en atmosphères inertes, cet inconvénient n’entre pas
en jeu. La solution alternative permettant de les protéger de
l’oxydation consiste à utiliser un alliage métallique réfractaire
approprié. En comparaison, les aciers inoxydables, selon le type[11]
utilisé, peuvent supporter des atmosphères oxydantes
à des températures situées entre 925°C et 1150°C.
Pour de plus amples informations veuillez consulter le site
de Goodfellow sur www.goodfellow.com/F/Vis.html ou vous
adresser par courriel à [email protected].
Références
La visserie en métal réfractaire peut être
utilisée dans des applications aux
exigences extrêmes
Limites de T° avant oxydation
pour métaux et alliages *
1200
1100
1000
900
[1] http://www.goodfellow.com/F/Niobium.html
800
[2] http://www.goodfellow.com/F/Molybdene.html
700
[3] http://www.goodfellow.com/F/Tantale.html
[4] http://www.goodfellow.com/F/Tungstene.html
[5] Boulons, vis, goujons de grandes dimensions - ASTM F593-91
[6] Le code consiste en deux chiffres séparés par un point. Le chiffre inscrit à
gauche du point, multiplié par 100, donne la CHARGE DE RUPTURE exprimée
en mégapascals, alors que le nombre de droite, multiplié par 10 fois le nombre
précédent, indique la LIMITE D’ÉLASTICITÉ exprimée en mégapascals
(MPa) ou la CHARGE à la LIMITE APPARENTE D’ÉLASTICITÉ à 0,2%
d’ALLONGEMENT RÉMANENT (MPa) selon le grade de résistance.
[7] Standard ASTM B708-05 pour le tantale ainsi que les tôles, feuilles et bandes
en alliage au tantale
Acier
inoxydable
Stainless
Steel
entre
925˚C
between
925˚C
and
1150˚C
et
1150˚C
600
500
400
Tantalumetand
Tantale
Niobium 425˚C
425˚C
Molybdenum395˚C
395˚C
Molybdène
300
200
Tungstène
190˚C
Tungsten 190˚C
100
[8] Standard ASTM B777-07 (2013) métal de haute densité à base de tungstène
(à noter que le chiffre le plus bas correspond à un métal fritté dense à 97%)
[9] “Mechanics of Materials”, 3ème édition SI, de Gere et Timoshenko, publié chez
Chapman and Hall, ISBN 0-412-36880-3
[10] “The Engineering Properties of Tungsten and Tungsten Alloys”, de Schmidt
et Ogden, Office of the Director of Defense Research and Engineering, Defense
Materials Information Center
[11] http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1175
*Selon le degré d’humidité et la nature
de l’atmosphère. Valeurs fournies à titre
indicatif uniquement.