Le forgeage des métaux expliqué : quels métaux, types d'acier et comment cela fonctionne

Forgeage des métaux est le processus de façonnage du métal en utilisant la force de compression – par martelage, pressage ou laminage – généralement pendant que le métal est chauffé pour le rendre plus malléable. Presque tous les métaux qui peuvent être chauffés sans devenir trop cassants peuvent techniquement être forgés, mais dans la pratique, l'acier au carbone, les aciers alliés, l'aluminium, le titane et les alliages de cuivre dominent le forgeage industriel car ils offrent la meilleure combinaison d'ouvrabilité et d'amélioration des propriétés mécaniques que le forgeage apporte.

Quels métaux peuvent être forgés et pourquoi certains forgent mieux que d'autres

La forgeabilité d'un métal dépend de sa ductilité à la température de forgeage et de la façon dont sa structure granulaire réagit à la déformation. Les aciers ayant une structure cristalline cubique à faces centrées (FCC) à haute température se déforment plus uniformément sous compression, ce qui explique en partie pourquoi l'acier est le métal le plus couramment forgé en milieu industriel.

Métaux à haute teneur en carbone supérieure à environ 0,6% , ainsi que la fonte, sont généralement considérés comme de mauvais candidats au forgeage car ils manquent de ductilité suffisante même à des températures élevées et ont tendance à se fissurer plutôt qu'à se déformer sous l'effet du marteau ou de la pression.

Comment forger l'acier : le processus de base expliqué

Le forgeage de l'acier suit une séquence qui n'a pas fondamentalement changé depuis la forge traditionnelle, même si l'échelle et l'équipement ont considérablement évolué dans le contexte industriel.

1. Chauffage : L'acier est chauffé dans une forge - traditionnellement au charbon ou au coke, maintenant souvent au gaz ou par induction - jusqu'à sa température de forgeage, généralement entre 1 100°C et 1 250°C (2 000 °F à 2 300 °F) pour la plupart des aciers au carbone, identifiable par une couleur orange vif à jaune.
2. Déformation : La force de compression est appliquée par martelage, pressage ou laminage pour façonner l'acier chauffé - cela peut être une matrice ouverte (mise en forme de forme libre) ou une matrice fermée (forçage du métal dans une cavité façonnée).
3. Réchauffer au besoin : L'acier refroidit rapidement une fois retiré de la forge, et lorsqu'il descend en dessous de la plage de température de forgeage, il doit être renvoyé à la source de chaleur avant de continuer : le travail de l'acier trop froid risque de se fissurer plutôt que de se déformer.
4. Normalisation ou recuit : Après le façonnage, la pièce forgée est souvent réchauffée à une température contrôlée et refroidie lentement pour soulager les contraintes internes créées lors du forgeage et affiner la structure du grain.
5. Finition : L'excédent de matière (flash, en forgeage fermé) est découpé et la pièce peut subir un traitement thermique, un usinage ou une finition de surface supplémentaire en fonction de l'application finale.

Types de processus de forgeage des métaux

Le forgeage industriel est généralement classé en fonction de la température et de la configuration de la matrice utilisée, et le choix entre ces méthodes dépend de la complexité de la pièce, du volume de production et des propriétés mécaniques requises.

• Forgeage à chaud : Effectué au-dessus de la température de recristallisation du métal, permettant un changement de forme significatif avec une force relativement faible et réduisant le risque de fissuration — la méthode la plus courante pour l'acier.
• Forgeage à froid : Réalisé à température ambiante ou proche, produisant des pièces avec des tolérances dimensionnelles plus strictes et une finition de surface plus lisse, mais nécessitant des forces nettement plus élevées et limitant la quantité de déformation possible sans fissuration.
• Forgeage à chaud : Un compromis réalisé à des températures intermédiaires, équilibrant les exigences de force inférieures du forgeage à chaud avec certains des avantages de précision du forgeage à froid.
• Forgeage à matrice ouverte : Le métal est façonné entre des matrices plates ou de forme simple qui ne l'entourent pas complètement, permettant au métal de s'écouler sauf là où les matrices le touchent - utilisé pour les formes grandes et simples comme les arbres et les disques.
• Forgeage à matrice fermée (impression) : Le métal est forcé dans une cavité de matrice qui l’entoure entièrement, produisant des formes plus complexes avec des tolérances plus strictes – utilisées pour les pièces à grand volume comme les composants automobiles.
• Forgeage : Une méthode de forgeage spécifique basée sur un marteau dans laquelle un poids lourd est lâché sur la pièce positionnée dans ou sur une matrice, généralement associée aux opérations de forgeage industrielles traditionnelles.

Qu'est-ce que l'acier forgé et comment la teneur en carbone affecte le résultat

« Acier forgé » fait référence à l'acier qui a été façonné par forgeage plutôt que par moulage (versage de métal en fusion dans un moule) ou par usinage (découpage d'un matériau à partir d'un bloc solide). Le processus de forgeage comprime et aligne la structure des grains internes de l'acier dans la direction de déformation, ce qui se traduit généralement par une résistance, une ténacité et une résistance à la fatigue améliorées par rapport à une pièce moulée de la même composition. C'est pourquoi les composants forgés sont souvent spécifiés pour les pièces soumises à des contraintes ou à des impacts élevés, telles que les vilebrequins, les engrenages et les raccords structurels.

La teneur en carbone est le principal facteur distinguant les différentes qualités d'acier à forger et détermine le compromis entre résistance, dureté et ductilité après forgeage :

Une teneur en carbone plus élevée permet à la pièce forgée d'atteindre une plus grande dureté grâce à un traitement thermique ultérieur, mais elle réduit également la fenêtre de température dans laquelle l'acier peut être forgé en toute sécurité sans se fissurer. C'est pourquoi les aciers à haute teneur en carbone sont forgés avec un contrôle de température plus strict et un réchauffage plus fréquent.

Qu'utilisent les forgerons : outils et équipements pour le forgeage à la main

Alors que le forgeage industriel repose sur des presses hydrauliques et des marteaux mécaniques, les outils de base utilisés par les forgerons pour le forgeage manuel restent largement conformes à la pratique traditionnelle, adaptée à l'ampleur du travail effectué.

• Forger : Une source de chaleur - traditionnellement une forge alimentée au charbon ou au coke, les forges au propane et à induction étant désormais courantes - utilisée pour amener l'acier à la température de forgeage.
• Enclume : Un bloc d'acier lourd offrant une surface stable et rigide contre laquelle marteler, avec diverses caractéristiques (corne, trou robuste, trou de pritchel) utilisé pour différentes techniques de façonnage
• Marteaux : Une gamme de poids de marteau et de formes de faces pour différentes tâches : marteaux à panne ronde pour étirer le métal, marteaux à panne ronde et à arrondir pour texturer et façonner
• Pinces : Utilisé pour maintenir les pièces chaudes en toute sécurité, avec différentes formes de mâchoires conçues pour les pièces rondes, plates ou les géométries de pièces spécifiques.
• Burins et poinçons : Utilisé lorsque le métal est chaud pour couper, percer ou créer une texture décorative
• Réservoir de trempe : Un récipient contenant de l'eau, de l'huile ou un autre produit de trempe utilisé pour refroidir rapidement l'acier à durcir, le choix du produit de trempe affectant la dureté résultante et le risque de fissuration.

Pour le forgeage manuel et industriel, la couleur est l'indicateur traditionnel de la température : une couleur jaune-orange vif correspond généralement à la plage de forgeage optimale pour la plupart des aciers au carbone, tandis qu'une couleur rouge terne indique que l'acier a refroidi en dessous de la plage de travail sûre et risque de se fissurer s'il est frappé.