Chapitre VI : Lorsque le fil d'acier est étiré, l'état du matériau change également
Sur le site de forgeage à froid, une situation est très fréquente :
La nuance de l’acier est identique, la sidérurgie est la même, et les spécifications finales obtenues après étirage sont également identiques. Pourtant, une fois introduites dans la machine de forgeage à froid, une série se déroule sans problème, tandis qu’une autre présente une instabilité lors du formage, des têtes mal remplies, voire des fissurations occasionnelles.
Où se situe le problème ?
Beaucoup de personnes pensent que l’étirage consiste simplement à réduire le diamètre du fil d’acier brut, pourvu que les dimensions soient conformes.
En réalité, ce n’est pas si simple.
L’étirage ne modifie pas seulement le diamètre ; il influence également la capacité ultérieure du matériau à être forgé à froid.
I. Même point d’arrivée, mais parcours différent
Deux fils étirés jusqu’à 10 mm peuvent avoir suivi des chemins différents : l’un peut être parti de 11 mm, tandis que l’autre a commencé à partir de 13 mm.
Bien que le diamètre final soit identique, le second a subi une déformation nettement plus importante.
Plus un fil d’acier est étiré, plus il devient généralement dur et résistant ; par conséquent, lors du formage ultérieur par forgeage à froid, la force nécessaire au formage évoluera également.
Ainsi, pour évaluer la qualité d’un matériau destiné au forgeage à froid, il ne suffit pas de s’en tenir aux spécifications finales, mais il faut aussi examiner :
Quelle était son épaisseur initiale et quelle quantité totale d’étirage a-t-il subie.
C’est comme deux personnes arrivant simultanément au sommet d’une montagne : l’une y est venue en téléphérique, l’autre en escaladant à pied. Bien qu’elles se trouvent au même endroit, leur état physique diffère totalement.
II. Tirer trop d’un seul coup ou procéder en plusieurs étapes donne des résultats différents
Pour passer d’une section brute à une section fine, un fil d’acier peut voir sa section réduite d’un seul passage important, ou bien subir plusieurs étapes successives d’étirage progressives.
Lors d’un étirage unique trop prononcé, la pression, le frottement et la température entre le fil et la filière augmentent considérablement, pouvant entraîner des différences entre les modifications superficielles et internes du matériau.
Mais le nombre d’étapes d’étirage n’est pas non plus toujours meilleur avec l’augmentation.
Trop d’étapes peuvent également accumuler continuellement les effets du frottement et des déformations.
Ce qui importe réellement, c’est la manière dont chaque étape est organisée, notamment si la dernière phase d’étirage est correctement dimensionnée.
La quantité totale d’étirage est cruciale, tout comme la manière dont on effectue la dernière passe.
C’est précisément pourquoi, même lorsque différentes aciéries utilisent la même torche de fil, les matériaux finalement produits peuvent encore présenter des comportements différents lors du forgeage à froid.
III. Les fils d'acier « se souviennent » également de la direction des contraintes
Lors du tréfilage, le fil d'acier est principalement étiré vers l'avant.
Lors du formage à froid par tête bombée, le matériau doit ensuite être comprimé et s'écouler vers la tête ainsi que vers les côtés.
Ainsi, le matériau vient tout juste de subir une déformation en traction et doit immédiatement supporter une compression.
Pour le comprendre simplement :
Le fil d'acier garde la mémoire de la manière dont il a été précédemment étiré.
Après le tréfilage, bien que la résistance à la traction du matériau ait augmenté, cela ne signifie pas pour autant que sa résistance à la déformation en compression lors du formage à froid par tête bombée augmente dans la même proportion.
Par conséquent, pour évaluer un matériau après tréfilage, il ne suffit pas de se limiter à sa résistance à la traction et à sa dureté ; il faut également tenir compte de la direction de déformation qu'il devra subir par la suite.
IV. L’« durcissement » et la « mémoire directionnelle » coexistent après le tréfilage
Après le tréfilage, le matériau devient généralement plus dur, phénomène connu sous le nom de durcissement par déformation.
Cependant, lorsque le matériau passe d’un état de traction à celui de compression, il est également influencé par l’effet Bauschinger.
Les deux effets agissent simultanément :
- Plus la déformation par tréfilage est importante, plus la résistance du matériau à toute nouvelle déformation tend à augmenter ;
- Dès que la direction des contraintes change, le matériau peut commencer plus tôt à se déformer par compression.
Selon le type de matériau, son état initial et le degré de tréfilage, l’un ou l’autre de ces effets peut être plus marqué au début, tandis que l’autre finit par dominer au fur et à mesure de la poursuite de la déformation.
Par conséquent, on ne peut pas affirmer simplement que « moins on tréfile, mieux c’est », ni soutenir que « grâce à l’effet Bauschinger, plus on tréfile, mieux c’est ». Ce qu’il faut, c’est trouver un intervalle optimal.
Mais cet intervalle optimal n’est pas identique pour toutes les nuances, toutes les spécifications et tous les produits.
V. Pourquoi les aciers bainitiques non alliés méritent-ils une attention particulière ?
Certains aciers bainitiques et aciers non alliés à haute résistance présentent, après tréfilage, un effet Bauschinger particulièrement prononcé lors du passage de la traction à la compression lors du formage à froid par tête bombée.
De tels matériaux sont déjà intrinsèquement très résistants. Après tréfilage, leur résistance à la traction continue d’augmenter, mais leur résistance à la déformation par compression lors du formage à froid par tête bombée n’augmente pas nécessairement dans la même proportion.
C’est précisément cette caractéristique qui rend les aciers bainitiques non alliés intéressants pour le renforcement par déformation à froid et le formage à froid par tête bombée.
Par conséquent, pour évaluer ce type de matériau, il ne suffit pas de se fier uniquement à sa résistance à la traction et à sa dureté après tréfilage ; il convient également d’analyser conjointement le degré de tréfilage, le temps de production et ses performances réelles lors du formage à froid par tête bombée.
VI. Pourquoi les matériaux continuent-ils à changer de comportement après un certain temps de stockage ?
Certains matériaux, utilisés immédiatement après le tréfilage, ne posent aucun problème en production ; cependant, lorsqu’ils sont stockés pendant un certain délai avant d’être mis en œuvre, leur comportement change.
La raison en est que, dès la fin du tréfilage, l’état interne du fil d’acier ne se stabilise pas nécessairement instantanément.
Avec le temps et les variations de température, la résistance du matériau ainsi que son aptitude ultérieure à se déformer peuvent encore évoluer.
Ainsi, lors de la comparaison de deux lots de matériaux, outre la vérification de la nuance et des rapports d’essai, il convient également de s’assurer :
- de la date de tréfilage de chaque lot ;
- de la durée de stockage après le tréfilage ;
- de l’absence de différences significatives dans les conditions de stockage.
Bien que ces informations paraissent anodines, elles constituent parfois des indices essentiels pour identifier la source du problème.
VII. Face à un problème, que faut-il comparer ?
Si des matériaux de même nuance et de mêmes spécifications présentent des performances différentes lors du forgeage à froid, il est recommandé de commencer par comparer les éléments suivants :
- les dimensions avant le tréfilage ;
- les dimensions après le tréfilage ;
- le nombre d’étapes de tréfilage intermédiaires ;
- l’importance de la réduction réalisée lors de la dernière passe ;
- les équipements de fabrication et les dates de transformation des deux lots ;
- la durée respective de stockage après le tréfilage ;
- si l’anomalie observée lors du forgeage à froid varie selon le lot de transformation.
Si, après changement de lot de transformation, l’anomalie évolue également tandis que l’équipement, les matrices et les produits restent inchangés, il conviendra alors d’examiner plus particulièrement le processus de tréfilage des deux lots concernés.
Toutefois, constater simplement des différences au niveau des paramètres ne permet pas encore de tirer des conclusions hâtives.
Le véritable jugement repose sur la capacité à relier les modifications intervenues au cours du tréfilage aux propriétés des matériaux et aux anomalies observées lors du forgeage à froid.
Point de vue de l’ingénieur
Le tréfilage ne consiste pas seulement à transformer un fil d’acier de grande section en un fil de petite section.
Il modifie également la résistance du matériau, sa capacité ultérieure à se déformer, ainsi que sa réponse lorsque le chargement passe de « traction » à « compression ».
Les matières premières définissent la base, tandis que le processus de tréfilage détermine l’état final dans lequel le matériau entre dans la machine de forgeage à froid.
Ainsi, même des matériaux de même nuance et de mêmes spécifications peuvent présenter des comportements très différents lors du forgeage à froid : le problème ne réside pas forcément dans la fiche technique du matériau, mais peut tout aussi bien se cacher dans le processus de tréfilage.
Si vous êtes confronté à une situation où des matériaux de même nuance et de mêmes spécifications affichent des performances inégales lors du forgeage à froid, n’hésitez pas à m’envoyer la nuance du matériau, les dimensions avant et après le tréfilage, le nombre de passes, la date de production ainsi que des photos des pièces défectueuses.
J’effectuerai une première analyse afin de déterminer si la recherche doit débuter au niveau des matières premières, du processus de tréfilage et de transformation, ou bien des procédés de forgeage à froid.
Prochaine publication
Chapitre VII : « Malgré la présence apparente d’un film phospho-saponifié à la surface, pourquoi des problèmes persistent-ils lors du forgeage à froid ? »
Le prochain chapitre abordera principalement la question suivante : pourquoi la présence d’un « film apparent » à la surface d’un matériau ne garantit pas nécessairement une lubrification suffisante tout au long du processus de déformation lors du forgeage à froid.