Dans le chapitre précédent, nous avons exposé un point central :
Le respect des normes relatives aux matériaux ne garantit pas pour autant la stabilité de la production par tête à froid.
Dans ce deuxième chapitre, poursuivons notre analyse :
Que contrôle exactement la norme relative aux matériaux ? Pourquoi les normes ne peuvent-elles pas remplacer la validation du procédé ?
Dans l’approvisionnement et la vérification de la qualité des matériaux, les normes jouent un rôle essentiel.
En effet, les normes répondent à une question fondamentale :
Ces matériaux respectent-ils les exigences techniques convenues ?
Par exemple, les composants chimiques se situent-ils dans les limites spécifiées ? Les écarts dimensionnels des barres ou des fils d’acier sont-ils conformes aux prescriptions ? Les caractéristiques mécaniques telles que la résistance à la traction, le taux de réduction de section et la dureté atteignent-elles les niveaux requis ? La surface présente-t-elle des défauts apparents tels que fissures, plis, nœuds ou rayures profondes ? L’état de livraison correspond-il aux exigences de la commande ?
Certaines normes précisent également les méthodes d’essai, les emplacements d’échantillonnage, les règles de reprise des essais, ainsi que l’emballage, l’étiquetage et les documents de certification de qualité.
Autant d’éléments qui constituent le langage commun permettant aux fournisseurs et aux clients de dialoguer sur la qualité.
Sans normes, il est difficile d’évaluer la qualité des matériaux ; sans contrôles, il n’existe aucun critère pour distinguer le conforme du non-conforme.
Ainsi, les normes ne sont pas secondaires.
Au contraire, elles représentent la première étape indispensable avant l’introduction des matériaux dans le système de production.
Toutefois, c’est précisément là que réside le problème.
Les normes définissent les limites fondamentales des matériaux, mais ne garantissent en aucune manière le succès d’un procédé particulier de tête à froid.
Les normes établissent généralement des exigences applicables à une nuance, à une catégorie de matériau ou à un état de livraison donné.
Elles s’attendent à ce que les matériaux possèdent les conditions minimales d’utilisation, et non à ce qu’une pièce spécifique d’un client puisse être formée de manière stable.
Par exemple, pour une même nuance, tant que les composants chimiques restent dans les limites prescrites, le matériau peut être considéré comme conforme.
Cependant, sur le site de tête à froid, la concentration des éléments C, Mn, Cr, Mo, B, etc., située au seuil supérieur, à la valeur médiane ou au seuil inférieur, influence la résistance à la déformation, la réponse au recuit et le comportement lors des traitements thermiques ultérieurs.
La norme peut simplement indiquer :
Les composants ne dépassent pas les valeurs limites.
Mais elle ne précise pas directement :
Si, lors d’une opération de tête à froid à forte déformation, la résistance à l’écoulement du matériau reste stable.
Prenons un autre exemple : les normes fixent des valeurs pour la résistance à la traction, la dureté, le taux de réduction de section, etc.
Évidemment, ces indicateurs sont importants, mais ils reflètent surtout le comportement des matériaux sous des conditions conventionnelles d’essai de traction ou de mesure de la dureté.
La mise en forme par tête à froid n’est cependant pas une simple traction.
La tête à froid implique une déformation plastique importante résultant de l’action conjointe de compressions multidirectionnelles, d’écoulements radiaux, de tractions locales, de cisaillements et de frottements.
Un matériau jugé conforme sur éprouvette ne sera pas nécessairement stable lorsqu’il est utilisé pour fabriquer des pièces complexes telles que des têtes profilées, des trous profonds, des marches, des brides, des vis hexagonales ou des composants de sécurité automobile.
Les normes régissent également la qualité de surface.
Cependant, cette qualité de surface est habituellement évaluée en fonction des défauts visibles, des profondeurs admissibles et des méthodes d’inspection.
Pour des produits soumis à une déformation modérée, certaines imperfections mineures peuvent passer inaperçues.
Mais pour des pièces à forte déformation, à formes complexes ou présentant un risque élevé, de fines rayures localisées, des plis, la décarburation ou l’extraction d’impuretés peuvent être amplifiés durant le processus de tête à froid, devenant ainsi des points d’amorçage de fissures.
C’est là la principale différence entre l’évaluation selon les normes et la validation du procédé.
L’évaluation selon les normes s’intéresse à :
La présence ou non de dépassements des limites prescrites.
La validation du procédé s’intéresse à :
La capacité à fonctionner de manière stable dans les conditions réelles de production.
Particulièrement pour les matériaux destinés à la tête à froid, plusieurs facteurs demeurent souvent difficiles à couvrir intégralement par les normes.
Premièrement, la microstructure interne et l’état des joints de grain.
Par exemple, pour les matériaux soumis à un recuit de sphéroïdisation, la norme exige peut-être un niveau de sphéroïdisation, une plage de dureté ou une certaine qualité de microstructure.
Mais sur le site de tête à froid, on s’intéresse davantage à :
La finesse et l’homogénéité des carbures, la cohérence entre le cœur et la surface, ainsi que l’absence de fluctuations entre les différentes couches et positions.
Il convient également de prêter attention à un aspect souvent négligé :
L’oxydation des joints de grain.
L’oxydation des joints de grain est généralement liée à l’atmosphère oxydante pendant les phases de chauffage, de recuit ou de traitement thermique. Elle n’est pas aussi facilement détectable à l’œil nu que les fissures ou les plis apparents, mais elle affaiblit localement la résistance de liaison des grains le long des joints.
Dans des conditions de fabrication ordinaires, une légère oxydation des joints de grain peut passer inaperçue ; toutefois, lors d’une déformation plastique intense en tête à froid, sous l’effet combiné de compression, traction, cisaillement et friction, les zones fragilisées aux joints de grain peuvent constituer des foyers de microfissures.
En particulier pour les pièces à forte déformation, les têtes complexes, les pièces de type bride ou les composants de sécurité automobile, lorsque l’oxydation des joints de grain s’associe à la décarburation superficielle, aux inclusions, à la trempe superficielle ou à un lubrifiant insuffisant, le risque de fissuration en tête à froid augmente considérablement.
Par conséquent, l’analyse de la microstructure interne ne doit pas se limiter à vérifier si le « taux de sphéroïdisation est conforme » ; il faut également s’assurer que la structure est homogène, que les joints de grain sont propres et que la surface ne présente ni décarburation, ni oxydation, ni fragilisation des joints de grain.
Une norme peut certifier que la microstructure est globalement conforme, mais la validation du procédé doit déterminer :
Si cet état microstructural, cette condition de surface et cet état des joints de grain permettent au matériau de supporter la déformation réelle rencontrée en tête à froid chez le client.
Deuxièmement, l’état de surface après le tirage.
Une même bobine de fil rond, transformée selon différents taux de réduction de section, avec divers passages, angles de matrices et conditions de lubrification, présentera des niveaux de trempe superficielle et de contraintes résiduelles totalement différents.
La résistance à la traction et la dureté du matériau peuvent encore se situer dans les limites normatives, mais sa fluidité, son comportement en matière de rebond, son risque de fissuration et sa stabilité dimensionnelle lors de la tête à froid peuvent déjà présenter des différences significatives.
Troisièmement, le comportement dynamique du film phospho-saponifié.
La norme ou le contrôle peuvent constater qu’une pellicule protectrice est bien présente à la surface, mais ce qui intéresse véritablement la tête à froid, c’est :
Si cette pellicule est uniforme et solide, suffisamment extensible, et si elle ne se désagrège pas ni ne se détache dès la première déformation, conservant ainsi une lubrification efficace aux postes suivants.
La tête à froid n’est pas un test statique, mais un processus continu de grandes déformations sur plusieurs postes successifs.
Si le film phospho-saponifié semble conforme uniquement à l’arrivée des matériaux, mais ne parvient pas à conserver son intégrité lors de la déformation dans les matrices, il risque alors de provoquer localement des phénomènes de frottement à sec.
Dès lors que le frottement augmente, l’écoulement du matériau se dégrade, la température des matrices s’élève, et les dimensions ainsi que la qualité de surface des pièces commencent à fluctuer.
Quatrièmement, les conditions des équipements et des matrices sur le site client.
Un même lot de matériaux peut se comporter différemment selon la machine à tête à froid utilisée, la précision des matrices, la qualité de la lubrification fournie ou encore les conditions thermiques dans les moules.
Certains équipements, dotés d’une bonne rigidité, d’une excellente coaxialité, d’une lubrification abondante et d’un contrôle efficace de la température, permettent au matériau de se former de manière stable.
Mais sur une autre machine, si des problèmes surviennent au niveau de l’ajustement des matrices, de l’alimentation en lubrifiant, de la répartition des postes ou de l’équilibrage thermique, le même lot de matériaux pourrait présenter des fissures, des défauts de remplissage ou des variations dimensionnelles.
Or, toutes ces caractéristiques sont difficiles à évaluer pleinement à partir des seules normes relatives aux matériaux.
Par conséquent, les normes ne peuvent pas remplacer la validation du procédé.
La validation du procédé vise à répondre à la question :
Une fois introduit dans mon produit, mes matrices, mes équipements et mon système de lubrification, ce matériau peut-il produire de manière continue, stable et avec un minimum de fluctuations ?
Une approche plus professionnelle consiste non pas à opposer normes et procédé, mais à les utiliser de façon hiérarchisée.
Les normes servent à confirmer le strict minimum requis des matériaux.
Le protocole technique complète les exigences spécifiques du client.
Le contrôle à l’entrée valide la cohérence entre les lots.
La phase de pré-production permet d’observer le comportement réel lors de la mise en forme.
Le suivi de la production en série évalue la stabilité à long terme.
Ce n’est qu’en associant ces différentes étapes que l’on obtient une méthode d’évaluation des matériaux véritablement adaptée au secteur de la tête à froid.
Ainsi, le point central du deuxième chapitre est le suivant :
Les normes relatives aux matériaux répondent à la question : « Peut-on entrer en usine ? Peut-on livrer ? » ; tandis que la validation du procédé répond à la question : « Peut-on former la pièce de manière stable ? Peut-on produire en série sur le long terme ? »
Les normes constituent une base, mais ne sont pas la finalité.
Un contrôle véritablement fiable des matériaux destinés à la tête à froid doit aller au-delà du simple respect des normes, vers l’adéquation au procédé et la stabilité sur site.
Dans le prochain numéro, nous aborderons le troisième chapitre :
Quels sont les indices matériels les plus souvent négligés, mais qui influencent le plus la stabilité en tête à froid ?