Le forgeage est un procédé de travail des métaux essentiel dans les industries aérospatiale, automobile, énergétique et des machines lourdes, permettant de produire des pièces fiables et à haute résistance.
Malgré les progrès technologiques, des défauts surviennent encore, affectant les performances, les coûts et les délais de livraison, ce qui rend la compréhension des causes profondes essentielle pour le contrôle de la qualité et l’optimisation des processus.
1. Fissures
Les fissures figurent parmi les plus graves forgeage Ces défauts peuvent apparaître en surface ou en profondeur et constituent souvent des points d’amorçage de rupture sous charge. Les fissures superficielles sont visibles à l’œil nu, tandis que les fissures internes nécessitent des essais non destructifs pour être détectées.
Signes typiques :
- Fines lignes ou fissures visibles le long des surfaces
- Fissures sous-cutanées détectées par inspection ultrasonique ou radiographique
- Propagation des fissures à partir des arêtes, des coins ou des zones de concentration de contraintes
Causes :
Température de forgeage inadéquate
Le forgeage à des températures inférieures aux niveaux optimaux réduit la ductilité. Lorsque le matériau ne peut plus se déformer plastiquement, des contraintes de traction s’accumulent et provoquent des fissures.
Déformation excessive par passage
Lorsqu’on tente de modifier trop la forme en une seule opération de pressage, le matériau ne peut pas répartir la contrainte uniformément, ce qui entraîne une rupture localisée.
Vitesse de déformation élevée
La déformation rapide ne laisse pas suffisamment de temps à la matière pour s’écouler. Les vitesses de déformation élevées aggravent les contraintes internes et contribuent à la formation de fissures.
Défauts matériels
Les microfissures préexistantes, les inclusions ou les microstructures incohérentes agissent comme des concentrateurs de contraintes qui favorisent l’amorçage des fissures sous charge.
2. Plis et rabats
Des replis et des plis se produisent lorsque des couches de métal se chevauchent et ne parviennent pas à se lier correctement lors de la déformation. Ces défauts compromettent l’intégrité structurelle car les couches repliées ne sont pas liées métallurgiquement.
Signes typiques :
- Des « plis » de surface ressemblant à des plis de papier
- couches souterraines qui se détachent sous contrainte
- Joints non collés parallèles à la direction de laminage ou de forgeage
Causes :
Contamination de surface
Les résidus de tartre, de saleté ou d’oxydes présents sur la surface d’origine empêchent une bonne adhérence lors de la déformation.
Flux de matières inadéquat
Des séquences de forgeage incorrectes ou une géométrie d’outillage inadéquate peuvent pousser le matériau en plis au lieu de favoriser un flux continu.
Température incorrecte lors de la déformation
Une chaleur insuffisante réduit la plasticité de surface, ce qui rend le matériau sujet au pliage plutôt qu’à l’étirement et à la fusion.
3. Vides internes et porosité
Les vides internes ou la porosité sont des cavités vides emprisonnées à l’intérieur de pièce forgéeCes cavités diminuent la capacité de charge et réduisent considérablement la durée de vie en fatigue.
Signes typiques :
- Présence de cavités groupées visibles aux rayons X ou aux ultrasons
- cavités internes en forme de nid d’abeille
- Effondrement de la surface lors de l’usinage dû aux trous sous-jacents
Causes :
Gaz emprisonné
Les gaz dissous dans le matériau pendant le chauffage peuvent se retrouver piégés lors du refroidissement et de la solidification.
Dégazage insuffisant
Le défaut d’élimination des gaz des billettes ou des lingots avant le forgeage entraîne la formation de poches piégées.
Travail à froid sans conclusion
À basse température de forgeage, les cavités peuvent ne pas se refermer complètement, laissant des espaces.
4. Indentations et marques de surface
Les défauts de surface sont relativement faciles à repérer et peuvent inclure des bosses, des piqûres, des rayures ou des irrégularités de surface. Ces imperfections peuvent compromettre la finition, la peinture et l’assemblage des pièces sensibles à la surface.
Signes typiques :
- De légères bosses ou éraflures à la surface
- De longues rayures alignées avec le mouvement de l’outillage
- Texture de surface irrégulière non conforme au design
Causes :
Outillage contaminé
Les particules étrangères présentes entre l’outillage et la pièce laissent des empreintes lors du forgeage.
Surfaces d’outils usées
Les outils endommagés ou rugueux transfèrent les imperfections sur les surfaces forgées.
Manipulation incorrecte
Une mauvaise manipulation des matériaux avant ou après le forgeage peut engendrer des bosses ou des marques.
5. Imprécision dimensionnelle et géométrique
L’imprécision dimensionnelle survient lorsque les pièces forgées présentent des tolérances hors limites pour des caractéristiques critiques. Cela affecte l’assemblage, l’ajustement et le fonctionnement, et nécessite souvent des retouches coûteuses.
Signes typiques :
- Diamètres et longueurs hors tolérance
- Trous ou surfaces mal alignés
- Épaisseur irrégulière sur toute la partie
Causes :
Désalignement de la matrice et de la machine
Même un léger défaut d’alignement des outils entraîne un écart systématique de forme et de taille.
Effets de la dilatation thermique
Les fluctuations de température lors des longs cycles de production déforment les outils et affectent les dimensions critiques.
Installation ou fixation incorrecte
Un positionnement irrégulier des billettes entraîne une dérive des tolérances.
6. Déformation et distorsion
Le gauchissement désigne la flexion ou la torsion involontaire des pièces une fois retirées de la presse. Cette déformation complique l’usinage et l’assemblage et révèle un déséquilibre sous-jacent du processus.
Signes typiques :
- Sections bombées ou tordues
- Surfaces torsadées
- Déformation asymétrique par rapport à la géométrie prévue
Causes :
Refroidissement inégal
Lorsque différentes régions refroidissent à des vitesses différentes, les contraintes résiduelles entraînent des changements de forme.
Chargement asymétrique
Les forces non uniformes exercées par la matrice introduisent des contraintes de flexion dans la pièce.
Orientation matérielle
Un mauvais alignement des billettes modifie le flux et favorise la déformation.
7. Grossièreté et hétérogénéité du grain
Une structure à grains grossiers ou irréguliers réduit les performances mécaniques, notamment la résistance à la fatigue, la ténacité et la ductilité.
Signes typiques :
- Tailles de grains variables observées au microscope
- Différences de dureté localisées
- Réponse inconstante au traitement thermique
Causes :
Chauffage ou trempage inadéquats
Une température excessive ou un chauffage irrégulier permettent aux grains de se développer excessivement.
Refroidissement rapide ou non uniforme
Les gradients de température empêchent un développement uniforme des grains.
Variance de la composition chimique
La ségrégation de l’alliage lors de la fusion ou du forgeage produit des différences microstructurales locales.
8. Inclusions et impuretés non métalliques
Les inclusions sont des particules de matériau non métallique incorporées dans le métal et agissent comme des points de concentration de contraintes qui réduisent considérablement les performances mécaniques.
Signes typiques :
- Taches sombres observées au microscope
- Comportement de rupture fragile
- Performances de fatigue inconstantes
Causes :
Problèmes de qualité des matières premières
Le fer, les scories, l’alumine et autres contaminants issus de la fusion ne sont pas entièrement éliminés.
Erreurs de manipulation de la fonte
Les procédés de refroidissement et de transfert peuvent introduire des particules étrangères.
Déchets dans l’outillage
Des résidus de calamine ou des fragments d’écailles laissés dans les matrices s’incrustent dans les pièces lors du forgeage.
9. Surchauffe et oxydation
La surchauffe, souvent appelée « combustion », crée une couche d’oxyde fragile et des zones noircies difficiles à enlever, ce qui dégrade la qualité de la surface.
Signes typiques :
- Surfaces noires et brûlées
- Couches d’oxyde floconneuses
- Taches noircies ou oxydées visibles à l’œil nu
Causes :
Contrôle de température inadéquat
Le dépassement de la température de forgeage recommandée accélère l’oxydation.
Contrôle inadéquat de l’atmosphère du four
L’exposition à l’air plutôt qu’aux gaz protecteurs accélère la combustion de surface.
Lubrification incorrecte ou insuffisante
Un lubrifiant insuffisant se dégrade aux températures du four, ce qui entraîne son oxydation.
10. Contraintes résiduelles et déformations
Les contraintes résiduelles sont des contraintes internes conservées après le forgeage qui peuvent entraîner une déformation ultérieure ou une rupture prématurée.
Signes typiques :
- Courbure non intentionnelle lors de l’usinage
- Fissuration lors du traitement thermique
- Changements dimensionnels inattendus pendant le service
Causes :
Déformation non uniforme
La variation des contraintes sur la pièce crée des contraintes différentielles.
Des taux de refroidissement inégaux
Les gradients de température emprisonnent les contraintes dans la microstructure.
Recommandations d’experts pour minimiser les défauts
Préparation des matières premières et contrôle de la qualité
- Utiliser des matières premières rigoureusement testées et propres
- Procéder au dégazage et au décalaminage avant le forgeage
Optimisation du chemin de température et de contrainte
- Maintenir des températures de four uniformes
- Décomposer le forgeage en plusieurs étapes afin de réduire les contraintes à chaque passe.
Conception et maintenance rigoureuses des matrices
- Incorporez un tirant d’eau, des filets et un support appropriés.
- Polir et nettoyer régulièrement les outils
Surveillance et inspection en temps réel
- Mettre en œuvre une surveillance thermique et de force en ligne
- Utiliser des techniques d’évaluation non destructives (ultrasons, tomographie)
- Déployer le contrôle statistique des processus (SPC)
Normalisation et formation
- Renforcer la formation des opérateurs en matière de détection des défauts
- Standardiser les procédures pour réduire les erreurs humaines