Pièces forgées à matrice fermée, à matrice ouverte et pièces forgées en acier au carbone : guide complet du processus

Processus de forgeage en matrice fermée : comment il fonctionne et où il excelle

Le forgeage en matrice fermée – également appelé forgeage par empreinte – façonne le métal en comprimant une billette chauffée entre deux ou plusieurs matrices contenant une cavité usinée correspondant à la géométrie finale de la pièce. Lorsque les matrices se ferment sous l'effet de la presse ou du marteau, le métal s'écoule pour remplir complètement la cavité, produisant un composant de forme presque nette avec des tolérances dimensionnelles serrées et une ligne de joint bien définie à l'endroit où les matrices se rejoignent.

La séquence du processus de forgeage à matrice fermée suit généralement ces étapes :

1. Préparation des billettes : Le matériau brut est coupé à un poids calculé : le matériau en excès (flash) sera coupé après le forgeage, mais un excédent important gaspille du matériau et augmente la charge de coupe.
2. Chauffage : La billette est chauffée à la plage de température de forgeage appropriée dans un four à induction ou à gaz, généralement entre 1 100 et 1 250 °C pour les aciers au carbone et alliés.
3. Préformage (blocage) : Dans l'outillage en plusieurs étapes, la billette passe à travers une ou plusieurs cavités de blocage pour redistribuer la masse vers la forme finale avant d'entrer dans la cavité de finition.
4. Finition du forgeage : La préforme chauffée est placée dans la cavité de la matrice de finition et frappée ou pressée jusqu'à fermeture complète, forçant le métal à pénétrer dans tous les creux de l'empreinte.
5. Découpage du flash : L'excès de métal extrudé au niveau de la ligne de joint est éliminé dans une presse à découper, généralement lorsque la pièce est encore chaude.
6. Traitement thermique et finition : Les pièces sont normalisées, trempées et revenues, ou recuites en fonction des exigences des matériaux et des propriétés mécaniques

Le matriçage fermé est exécuté sur des presses mécaniques, des presses hydrauliques ou des marteaux à gravité. Presses hydrauliques — courant dans des tailles allant de 500 tonnes à plus de 50 000 tonnes — applique une pression contrôlée et soutenue adaptée aux formes gretes ou complexes. Presses mécaniques et à vis fournissent un impact à haute énergie adapté aux petites pièces nécessitant un contrôle précis de la course. Les marteaux-piqueurs restent largement utilisés pour les grandes séries de pièces de petite à moyenne taille.

Avantages et limites

Le forgeage en matrice fermée produit des composants avec rapport résistance/poids supérieur à celui des pièces moulées ou des barres usinées car le processus de forgeage affine la structure des grains et aligne le flux des grains avec la géométrie de la pièce. Des améliorations de la résistance à la fatigue de 20 à 30 % par rapport aux pièces moulées équivalentes sont couramment signalées dans les composants structurels de l'aérospatiale et de l'automobile. La répétabilité dimensionnelle est élevée une fois les matrices éprouvées, ce qui rend le forgeage fermé parfaitement adapté à la production en volume moyen à élevé de bielles, d'engrenages, de brides, de vilebrequins et de pièces de suspension automobile.

La principale limitation est le coût de l’outillage. Les ensembles de matrices fermés en acier à outils pour travail à chaud H13 coûtent entre des dizaines de milliers et des centaines de milliers de dollars en fonction de la complexité de la pièce, ce qui rend le processus économiquement viable uniquement au-dessus d'un volume de production minimum - généralement 500 à 1 000 pièces ou plus en fonction de la taille de la pièce. La durée de vie des matrices varie généralement de 10 000 à 100 000 frappes, influencée par la température de forgeage, l'abrasivité du matériau et les pratiques de lubrification.

Forgeage à matrice ouverte Processus : flexibilité pour les pièces volumineuses et personnalisées

Le forgeage à matrice ouverte façonne le métal entre des matrices plates ou simplement profilées qui n'entourent pas complètement la pièce. L'opérateur ou le manipulateur automatisé repositionne et fait tourner la billette chaude progressivement entre les coups de presse, travaillant progressivement le matériau jusqu'à la forme souhaitée grâce à une série d'étapes de déformation. Étant donné qu'aucune cavité d'impression ne confine le métal, la géométrie de la pièce dépend du mouvement de la matrice, de la course de la presse et de la commande de l'opérateur ou de la CNC, et non d'une cavité prédécoupée.

Les configurations courantes d'outillage à matrice ouverte comprennent des plateaux plats, des matrices en V, des matrices de sertissage, des anneaux de mandrin pour les pièces creuses et des matrices à selle pour les profils profilés. Le processus s'adapte à une vaste gamme de géométries de pièces, notamment :

• Arbres, broches et axes — forgés progressivement sur toute leur longueur à partir de gros lingots
• Anneaux et brides — formés par poinçonnage, refoulement et laminage d'anneaux
• Blocs, plaques et dalles pour outillage, ébauches de récipients sous pression et acier pour matrices
• Composants uniques personnalisés pour la machinerie lourde, la production d'électricité et la défense

Cogging : l'opération de base dans le forgeage à ciel ouvert

L'opération de matrice ouverte la plus fondamentale est crémaillère - également appelé étirage - où la billette est progressivement comprimée sur toute sa longueur par incréments de morsure qui se chevauchent pour réduire la section transversale et augmenter la longueur. Chaque morsure déforme une zone localisée ; l'opérateur de la presse avance la billette entre les courses de sorte que les morsures adjacentes se chevauchent de 30 à 50 %, garantissant ainsi une déformation continue sans fermetures à froid ni recouvrements aux limites des morsures. Le cogging est la principale méthode pour travailler de gros lingots (1 tonne à 300 tonnes) jusqu'à des billettes de taille intermédiaire pour un traitement ultérieur ou un usinage final.

Le forgeage à matrice ouverte fonctionne sur des presses hydrauliques allant de 800 tonnes à plus de 125 000 tonnes pour les plus grandes pièces forgées de l'aérospatiale et de la production d'énergie. Les plus grandes presses de matriçage au monde – de 50 000 à 80 000 tonnes – sont capables de forger des composants en superalliage de titane et de nickel pour les cadres de fuselage d'avions et les grands disques de turbine.

Matrice ouverte ou matrice fermée : comment choisir

Les deux processus sont complémentaires plutôt que concurrents. Le forgeage à matrice ouverte est préférable lorsque la taille de la pièce dépasse ce que l'outillage à matrice fermée peut gérer économiquement (généralement au-dessus de 200 à 500 kg), lorsque les volumes de production sont trop faibles pour justifier un investissement dans la matrice, ou lorsque la géométrie est trop complexe ou variable pour une matrice à empreinte unique. Le forgeage en matrice fermée est préférable lorsque la précision dimensionnelle, l’état de surface et le volume de production favorisent l’investissement en outillage. De nombreux grands composants commencent par des préformes matricées ouvertes qui sont ensuite matricées pour les caractéristiques critiques.

Température pour le soudage à la forge : assemblage du métal par la chaleur et la pression

Le soudage par forge est l'un des procédés de travail des métaux les plus anciens : il assemble deux pièces de métal en les chauffant à l'état plastique ou semi-fondu, puis en appliquant une force de compression suffisante pour les lier au niveau atomique, sans aucun métal d'apport ou flux autre que celui utilisé pour nettoyer les surfaces de joint. La température de soudage de forge correcte pour l'acier doux et à faible teneur en carbone est généralement de 1 260 à 1 370 °C (2 300 à 2 500 °F) — le point auquel la surface de l'acier développe un aspect jaune-blanc brillant caractéristique, presque étincelant, et devient suffisamment plastique pour une liaison par diffusion atomique sous des coups de marteau.

Température par matériau

La température de soudage à la forge varie considérablement selon la composition de l'alliage, car elle est régie par la température de solidus du métal et son comportement en déformation plastique :

• Acier à faible teneur en carbone (0,05 à 0,20 % C) : 1 260–1 370 °C — la plage la plus indulgente, avec une large fenêtre de travail en plastique
• Acier à teneur moyenne en carbone (0,20 à 0,50 % C) : 1 200-1 315 °C — la fenêtre de température se rétrécit à mesure que la teneur en carbone augmente et le risque de surchauffe augmente
• Acier à haute teneur en carbone/acier à outils (0,60-1,0 % C) : 1 100-1 260 °C — fenêtre très étroite ; une surchauffe, même de 30 à 50 °C, provoque une brûlure (oxydation irréversible des joints de grains) et la soudure échouera
• Fer forgé : 1 315–1 425 °C — la teneur élevée en scories facilite le soudage en formant un laitier liquide qui élimine les oxydes de l'interface
• Acier inoxydable (304/316) : 1 200 à 1 260 °C — nécessite une atmosphère ou un flux inerte pour empêcher la formation d'oxyde de chrome, qui inhibe la liaison

Flux et préparation de surface

Le tartre et les oxydes sur la surface métallique empêchent le contact atomique et doivent être éliminés immédiatement avant la soudure. Le borax (tétraborate de sodium) est le flux de soudage de forge le plus utilisé — appliqué à environ 900-1 000 °C lorsque l'acier s'approche de la température de soudage, il fond et forme une barrière liquide qui dissout le tartre d'oxyde de fer et empêche la réoxydation pendant la phase de chauffage finale. Sans flux, le tartre piégé à l’interface du joint crée des inclusions qui affaiblissent ou empêchent la soudure. Certains forgerons utilisent du sable de silice, de la limaille de fer ou des formulations de flux exclusives pour des systèmes d'alliage spécifiques.

Soudage de forge industrielle moderne

Alors que le soudage à la forge manuelle survit dans la fabrication de lames et la ferronnerie artistique, le soudage à la forge industrielle est surtout appliqué dans soudage bout à bout éclair and soudage sous pression par induction pour la fabrication de tuyaux et l'assemblage de rails. Le soudage par flash chauffe les surfaces de contact par un arc de résistance électrique (solin), puis applique une force de refoulement (compression axiale) pour consolider le joint, obtenant ainsi des conditions de soudage de forge de manière contrôlée et reproductible. Cette méthode est utilisée pour souder des sections de tiges de forage, de chaînes d'ancrage et de rails lorsqu'un joint entièrement forgé, sans zone affectée par la chaleur et présentant des propriétés mécaniques en métal de base est requis.

Pièces forgées en acier au carbone : nuances, propriétés et applications

Les pièces forgées en acier au carbone sont produites à partir d'acier dont le principal mécanisme de renforcement est la teneur en carbone – allant des qualités à faible teneur en carbone inférieures à 0,20 % C jusqu'aux qualités à haute teneur en carbone supérieure à 0,60 % C – sans les ajouts d'alliages importants (chrome, nickel, molybdène) qui caractérisent les pièces forgées en acier allié. Les pièces forgées en acier au carbone représentent le segment de volume le plus important de l'industrie mondiale du forgeage , utilisé dans les composants de transmission automobile, les machines industrielles, les équipements de construction, les raccords pétroliers et gaziers et les outils à main.

Nuances d'acier au carbone couramment utilisées dans les pièces forgées

La teneur en carbone est la variable dominante régissant les propriétés mécaniques pouvant être obtenues dans l'acier au carbone forgé :

• AISI 1020 / 1025 (à faible teneur en carbone) : Résistance à la traction 380-480 MPa telle que forgée ; excellente soudabilité et ténacité ; utilisé pour les leviers, les broches, les arbres et les pièces forgées structurelles générales où une résistance élevée n'est pas requise
• AISI 1040 / 1045 (carbone moyen) : Résistance à la traction 570-700 MPa normalisée, jusqu'à 800-950 MPa trempé et revenu ; la qualité la plus performante pour les bielles, les vilebrequins, les engrenages, les arbres d'essieu et les pièces forgées à bride - combinant une usinabilité raisonnable avec une bonne résistance
• AISI 1060 / 1080 (à haute teneur en carbone) : Résistance à la traction de 800 à 1 100 MPa traitée thermiquement ; haute dureté et résistance à l'usure; utilisé pour les roues de chemin de fer, les ressorts, les outils à main et les composants de travail du sol agricole
• AISI 1095 (à haute teneur en carbone) : Dureté de surface jusqu'à 65 HRC réalisable ; lames de couteaux, outils de coupe et plaques d'usure où la rétention des bords est essentielle

Comment le forgeage améliore les propriétés de l'acier au carbone

Le processus de forgeage apporte des améliorations microstructurelles qui distinguent les pièces forgées en acier au carbone des pièces moulées ou des barres laminées à chaud de la même nuance. Le travail à chaud au-dessus de la température de recristallisation (environ 720 à 750 °C pour les aciers au carbone) détruit la structure dendritique coulée. , ferme la porosité et les vides de solidification et produit une structure de grain raffinée et équiaxée. Le travail mécanique développe également un flux de grains fibreux qui, lorsqu'il est aligné avec la direction de contrainte principale dans la pièce finie, améliore considérablement la résistance à la fatigue et aux chocs par rapport aux barres usinées dans le sens du grain.

Les améliorations documentées des propriétés des pièces forgées en acier à moyenne teneur en carbone AISI 1045 par rapport aux pièces moulées équivalentes incluent des améliorations de la résistance à la fatigue de 20 à 37 % et des améliorations de la résistance aux chocs Charpy de 30 à 50 % à température ambiante, avec des avantages encore plus importants à des températures inférieures à zéro pertinentes pour les applications pétrolières, gazières et arctiques.

Traitement thermique des pièces forgées en acier au carbone

Les composants en acier au carbone tels que forgés sont généralement normalisés (refroidis par air au-dessus de Ac3) pour soulager les contraintes de forgeage et produire une microstructure perlitique-ferritique uniforme comme base pour un usinage ou un traitement thermique ultérieur. Les propriétés mécaniques finales sont obtenues par :

• Trempe et revenu (Q&T) : Austénitiser à 820–870 °C, tremper à l'eau ou à l'huile jusqu'à martensite, puis revenu à 400–650 °C pour atteindre l'équilibre dureté/ténacité cible – la voie standard pour les pièces forgées en acier à moyenne et haute teneur en carbone dans les applications structurelles et d'usure.
• Trempe par induction : Durcissement sélectif de la surface des zones d'usure critiques (dents d'engrenage, surfaces des tourillons) tout en conservant un noyau résistant — largement appliqué aux arbres et engrenages 1045 et 1050
• Recuit : Recuit complet ou recuit sphéroïdisé pour les nuances à haute teneur en carbone afin d'améliorer l'usinabilité avant l'usinage de finition et le durcissement final

Pièces forgées en acier au carbone et pièces forgées en acier allié

Les pièces forgées en acier au carbone sont sélectionnées lorsque les propriétés mécaniques requises se situent dans la plage réalisable des qualités de carbone traitées thermiquement et lorsque les exigences de trempabilité peuvent être satisfaites dans la section transversale forgée. Pour les sections supérieures à environ 50–75 mm, les limitations de trempabilité deviennent importantes — le noyau d'une grande pièce forgée en acier au carbone peut ne pas atteindre sa pleine dureté martensitique pendant la trempe, ce qui entraîne une ténacité du noyau inférieure à celle de la surface. Les nuances d'acier allié (4140, 4340, 8620) sont spécifiées lorsque les exigences de trempabilité en profondeur, de résistance à température élevée ou de résistance à la corrosion dépassent ce que l'acier au carbone peut fournir. Le compromis est le coût : les pièces forgées en acier au carbone en AISI 1045 ont un coût de matériau 15 à 35 % inférieur à celui des pièces forgées en acier allié équivalentes.