Le but du recuit de sphéroïdisation est d’améliorer la capacité de formage à froid des aciers moyennement carbonés et des aciers alliés.
Cependant, sur le terrain, on considère souvent le « taux de sphéroïdisation » comme l’unique critère. Dès lors que le taux de sphéroïdisation et la dureté sont conformes, on estime généralement que le matériau se déforme parfaitement bien par emboutissage à froid.
Mais en pratique, ce n’est pas toujours le cas.
Pour une même nuance, avec une dureté proche et un taux de sphéroïdisation identique, certains matériaux se travaillent aisément et se forment sans difficulté ; tandis que d’autres contraignent davantage les machines, rendent difficile le remplissage des zones complexes et, au fil d’une production continue, voient leurs charges et leurs dimensions varier plus facilement.
L’essentiel est le suivant :
Un même taux de sphéroïdisation ne signifie ni que l’état microstructural est identique, ni que les performances en emboutissage à froid seront les mêmes.
I. Le taux de sphéroïdisation n’est qu’un élément de l’évaluation microstructurale
L’objectif principal du recuit de sphéroïdisation est de transformer les carbures présents dans l’acier, sous forme lamellaire ou en chaîne — morphologies peu favorables —, en carbures granulaires ou quasi sphériques, dispersés dans une matrice ferritique, grâce à des transformations microstructurales successives : fragmentation, dissolution, re précipitation et coalescence.
Les modifications principales concernent ainsi la morphologie, la taille et la distribution des carbures.
Ainsi, pour évaluer une microstructure sphéroïdisée, il ne suffit pas de se limiter à un seul paramètre ; il convient d’examiner au moins trois aspects complémentaires :
- La morphologie : les carbures sont-ils arrondis ? Restent-ils des caractéristiques lamellaires, en chaîne ou en réseau ?
- La taille : les particules sont-elles trop fines et trop rapprochées ? Existe-t-il des carbures localement grossiers ?
- La distribution : les carbures sont-ils répartis uniformément ? Cette répartition est-elle homogène en surface, à mi-rayon et au cœur ?
Il faut particulièrement noter ceci :
Les carbures ne sont ni meilleurs lorsqu’ils sont très fins, ni pires s’ils sont relativement gros.
Des particules trop fines et trop rapprochées peuvent augmenter la résistance à la déformation du matériau ; des carbures localement grossiers ou regroupés risquent, quant à eux, d’induire des déformations inhomogènes.
Ce sont précisément les combinaisons entre la taille des carbures, l’espacement intergranulaire et leur état de distribution qui influencent véritablement les performances en emboutissage à froid.
II. À taux de sphéroïdisation égal, l’état de la ferrite peut varier
La microstructure sphéroïdisée ne se limite pas aux carbures.
Pendant l’emboutissage à froid, les carbures modifient le comportement de déformation du matériau, tandis que la matrice ferritique assure l’essentiel de l’écoulement plastique.
La taille des grains ferritiques, le degré de détente thermique, la présence éventuelle d’écrouissage résiduel ainsi que l’homogénéité microstructurale jouent tous un rôle décisif dans la facilité d’emboutissage à froid.
Même en appliquant des procédés de recuit de sphéroïdisation similaires, si la microstructure initiale résultant du laminage à chaud diffère d’un aciériste à l’autre, les effets finaux de la sphéroïdisation et le niveau de détente de la matrice peuvent également diverger.
Ainsi, deux clichés de micrographie semblables peuvent tout de même traduire des aptitudes d’écoulement très différentes dans les outillages.
III. Un seul champ d’observation ne peut pas représenter toute la section
Si l’on ne choisit qu’un seul endroit, un seul champ d’observation pour réaliser une photographie métallographique, il est fort probable que l’on ne puisse pas voir les concentrations locales, les distributions en bandes ou les lamelles résiduelles.
Une position jugée conforme ne prouve pas que toute la section soit parfaitement homogène ; de même, une section jugée conforme ne permet pas d’affirmer que l’ensemble du matériau en bobine soit exempt de variations.
Pour une évaluation plus professionnelle, il convient de prendre en compte :
- les différences microstructurales entre la surface, le milieu du rayon et le cœur ;
- la cohérence entre les différentes zones de la bobine ;
- les éventuelles correspondances entre les sections normales et les sections anormales.
C’est également pourquoi, même lorsque les certificats de qualité des matériaux et les photographies métallographiques individuelles sont tous conformes, il arrive encore sur site que le forgeage à froid se révèle difficile.
IV. Les duretés sont proches, alors pourquoi certains matériaux se déforment bien tandis que d’autres se déforment mal ?
La dureté est importante, mais elle ne représente qu’un résultat obtenu en quelques points précis.
Le forgeage à froid consiste en une déformation plastique continue et importante. Le matériau doit non seulement commencer à s’écouler, mais aussi supporter les déformations croissantes et l’écrouississement progressif aux postes suivants.
Ainsi, avec deux lots de matériaux présentant des duretés similaires, le comportement au premier poste peut sembler comparable ; cependant, dès l’entrée dans les postes à fortes déformations ou à formage complexe, les charges, le remplissage et l’élévation de température des outillages peuvent progressivement creuser les écarts.
Mais si la machine peine à fonctionner, on ne saurait immédiatement imputer cela au matériau.
L’état des outillages, l’alimentation en lubrifiant, la rigidité de l’équipement, l’alignement coaxial ainsi que la montée en température lors de la production en continu influencent également les charges réelles.
V. Il faut finalement vérifier la concordance entre la microstructure et la situation réelle
Pour déterminer si une microstructure sphéroïdisée convient au forgeage à froid, il ne suffit pas de se fier au taux de sphéroïdisation, à la dureté ou à une simple image métallographique.
Une évaluation plus pertinente consiste à rassembler et à comparer les informations suivantes :
- la microstructure et la distribution des duretés ;
- les différences entre les sections normales et anormales ;
- les variations de charge sur l’équipement de forgeage à froid ;
- le remplissage des pièces, leurs dimensions et l’élévation de température des outillages ;
- le poste, le moment et la zone de la bobine où apparaissent les anomalies.
La véritable qualité de la microstructure ne peut être validée qu’en observant le comportement d’écoulement du matériau une fois introduit dans l’outillage.
Point de vue de l’ingénieur
Le taux de sphéroïdisation constitue un indicateur essentiel pour évaluer la microstructure sphéroïdisée, mais il ne constitue pas la réponse définitive quant aux performances en forgeage à froid.
Ce qui détermine réellement si un matériau se prête ou non au forgeage à froid, ce sont la forme, la taille et la distribution des carbures, l’état de la matrice ferritique, l’homogénéité de la section et de la bobine, ainsi que l’adéquation entre le matériau et le procédé utilisé.
Ainsi, pour le chapitre IV, retenez simplement ceci :
Le taux de sphéroïdisation reflète uniquement certains aspects microstructuraux ; pour savoir si un matériau se prête bien au forgeage à froid, il faut évaluer sa capacité réelle à se déformer dans son ensemble.
Si le taux de sphéroïdisation et la dureté sont conformes, mais que le matériau reste difficile à déformer, il est généralement inutile de réexaminer toujours le même endroit. Il convient plutôt de rechercher les véritables correspondances entre les différences microstructurales, les zones du matériau et les anomalies constatées sur site.