Lorsqu’on constate sur le site de l’emboutissage à froid des fissures au niveau de la tête, du bord de la bride ou des angles arrondis, la première réaction de beaucoup est d’examiner le matériau ou les matrices d’emboutissage.
Toutefois, l’endroit où l’on observe un défaut sur la pièce finie n’est souvent que l’emplacement de sa manifestation finale et non nécessairement celui de sa formation initiale.
Certains défauts apparaissent lors de la coulée continue et du laminage, d’autres résultent du transport ou des opérations de transbordement, tandis que d’autres encore se développent au cours du décapage, du tréfilage, du passage en ligne, de l’alimentation ou de la découpe.
Les défauts de surface peuvent être hérités de l’amont ou se former de nouveau au cours des étapes intermédiaires. L’emboutissage à froid modifie la morphologie des défauts, mais ne peut pas restaurer la continuité du matériau déjà altéré.
Chemin des défauts : lingot continu → fil machine laminé → transport et transbordement → décapage et transformation → tréfilage et passage en ligne → formage par emboutissage à froid
I. Phase de coulée continue : les défauts peuvent débuter sous la surface des brames
La brame constitue le point de départ du fil machine. Des marques d’oscillation anormales, des porosités sous‑surface, des scories piégées, des callosités et des creux peuvent tous devenir l’origine de défauts de surface ultérieurs.
Figure 1 : Marques d’oscillation anormales sur une brame de coulée continue. Des marques d’oscillation peu profondes ne constituent pas nécessairement un défaut ; c’est lorsque ces marques s’approfondissent de manière anormale ou que leur base est accompagnée de fissures ou de scories piégées que le risque ultérieur augmente sensiblement.
Figure 2 : Porosité sous‑surface révélée après meulage. Après le laminage, ces porosités peuvent être comprimées ou allongées selon la direction de laminage ; le fait qu’elles soient oxydées à l’intérieur influe sur leur capacité à se refermer de manière fiable par la suite.
Figure 3 : Scories piégées en surface ou près de la surface des brames. Les inclusions de scories ne se déforment pas de manière compatible avec la matrice d’acier ; lors du laminage, elles peuvent se fragmenter, s’allonger et évoluer en callosités, plis ou défauts linéaires.
Figure 4 : Callosité en surface d’une brame. Ces dépôts métalliques lamellaires peuvent, au cours du laminage ultérieur, être amincis puis incorporés dans la matrice ; bien que la surface apparaisse lissée, l’interface interne n’est pas forcément véritablement fusionnée.
Figure 5 : Creux en surface d’une brame. Le terme « creux » décrit simplement l’apparence visuelle ; pour en identifier la cause précise, il convient d’examiner les oxydes présents au fond du creux, les bords relevés ainsi que les fissures environnantes.
Les défauts de surface des brames peuvent être comprimés, allongés ou redirigés pendant le processus de laminage. Une apparence lisse ne signifie pas pour autant que les discontinuités initiales ont disparu.
II. Phase de laminage : les défauts peuvent être allongés, voire générés de nouveau
Les fissures présentes dans les brames d’acier peuvent évoluer en fissures longitudinales sur les fils ronds; les écailles et les scories incluses peuvent être amincies et allongées, tandis que les porosités sous‑superficielles peuvent également donner lieu à des anomalies linéaires discontinues.
Le processus de laminage lui-même peut également engendrer des défauts. Un remplissage inadéquat des passes, un mauvais état des guides ou des jeux de cylindres anormaux peuvent provoquer la formation d’oreilles; lorsque ces oreilles sont refoulées vers la surface du matériau dans les passes suivantes, elles peuvent donner naissance à des plis. De même, l’enfoncement d’oxydation ou d’impuretés dans la matrice laisse des zones localement discontinues.
Figure 6 : Section transversale d’un défaut de pli. La couche superficielle du métal est repliée en forme de languette, sans qu’une liaison fiable se soit formée à l’interface. Le fait que la surface semble temporairement refermée ne signifie pas pour autant que le défaut interne ait disparu.
Figure 7 : Écaille à la surface du fil rond. Par rapport aux rayures ordinaires, les écailles présentent souvent des dépôts lamellaires, ainsi que des déformations locales telles que des relevés ou des arrachements partiels.
Figure 8 : Coupe transversale d’une fissure superficielle sur le fil rond. La fissure illustrée s’étend depuis la surface vers l’intérieur de la matrice; il convient toutefois d’analyser plus avant si elle s’accompagne d’oxydation, de décarburation ou de structures anormales.
Les plis et les fissures peuvent parfois présenter une apparence similaire, mais leurs mécanismes de formation diffèrent. Les plis résultent d’une partie de métal qui, après avoir été enroulée, n’a pas formé de liaison solide; les fissures, quant à elles, traduisent déjà une rupture de la continuité de la matrice. Il est donc imprudent de confondre simplement leurs causes respectives lors de l’analyse rétroactive.
III. Transport et manutention : les éraflures dues aux chocs peuvent également constituer des points d’amorçage de fissuration
Lors des opérations de levage, de dépose des bobines, d’empilement et de transport, les rouleaux d’acier peuvent subir des impacts, des traînements ou des frottements mutuels, entraînant ainsi la formation d’éraflures, d’empreintes et de rebords métalliques. Ces dommages sont généralement localisés et aléatoires, se concentrant souvent sur la périphérie externe des bobines ou aux endroits directement touchés lors des opérations de levage.
Figure 9 : Éraflures ou bosses causées par le transport ou la manutention. Leur orientation et leur emplacement ne sont pas toujours réguliers, ce qui les distingue des marques longitudinales continues laissées par les matrices de tréfilage.
Pour les produits soumis à une déformation modérée, de légères lésions ne provoquent pas nécessairement immédiatement d’anomalies; en revanche, lorsqu’ils entrent dans des procédés impliquant une déformation élevée, des formes complexes ou des flans minces, les zones endommagées peuvent constituer des concentrations de contrainte et voir leur impact amplifié au cours du processus de forgeage à froid.
IV. La phase de décapage : à la fois une mise en évidence des défauts et un risque d’engendrer des problèmes cachés
Après le décapage, qui élimine la calamine, les fissures, plis, scories et creux initialement recouverts se révèlent progressivement. Par conséquent, la découverte de défauts après décapage ne signifie pas nécessairement qu’ils se sont formés lors de cette opération.
Si la calamine n’est pas entièrement éliminée, les oxydes résiduels peuvent compromettre l’homogénéité du film de phosphatation et, au cours du tréfilage, se briser, se détacher ou être comprimés dans la surface du fil d’acier.
Figure 10 : Résidus de calamine après décapage. Les bandes longitudinales sombres doivent être distinguées des oxydes résiduels présents à l’intérieur des plis ou des fissures ; il ne faut pas se fier uniquement à la couleur pour tirer des conclusions.
Un contrôle insuffisant du décapage peut également entraîner une corrosion par piqûres et une rugosité superficielle. Pour déterminer si ces problèmes résultent de défauts initiaux mis au jour ou s’ils ont été introduits lors du décapage, il est indispensable de conserver des échantillons avant et après cette étape afin de procéder à une comparaison.
V. Tréfilage de transformation : les entailles longitudinales, un nouveau type de défaut souvent sous-estimé
Le processus de transformation ne se limite pas à modifier les dimensions du matériau ; il peut aussi endommager directement la surface du fil d’acier.
L’usure des filières, l’ingression de calamine ou de copeaux métalliques dans les trous de filière, la défaillance temporaire du film lubrifiant, ainsi que les bavures ou contacts anormaux aux rouleaux de passage et aux dispositifs de guidage, peuvent tous provoquer des entailles longitudinales continues ou discontinues.
Figure 11 : Entailles localisées engendrées par le tréfilage de transformation. Ces défauts se répartissent selon la longueur du fil d’acier et s’accompagnent de cannelures, de retournements métalliques ou de déchirures localisées.
Pour les entailles courtes et sporadiques, il convient d’examiner attentivement la présence d’impuretés dures, les phénomènes d’adhésion momentanée et les contacts localisés ; lorsque des entailles continues apparaissent sur de longues distances avec une position circonférentielle relativement fixe, il faut prioritairement inspecter les filières, les rouleaux de guidage et les points de passage.
Cependant, les marques longitudinales ne proviennent pas forcément du tréfilage. Les fissures de laminage, les plis et les résidus de calamine, après avoir subi le tréfilage, peuvent également présenter un aspect similaire. Ce qu’il faut véritablement vérifier, c’est si le défaut existait déjà avant l’entrée en tréfilage, ou bien s’il a commencé à apparaître à partir d’une certaine filière ou d’un point de passage particulier.
Dans ce chapitre, nous ne traitons que des dommages superficiels causés par le tréfilage. L’influence du taux de réduction, du nombre de passes et de la durcissement par écrouissage sur les performances du forgeage à froid sera abordée séparément au sixième chapitre.
VI. Avant le forgeage à froid : le dernier type de défaut nouvellement apparu est souvent négligé
Une fois le matériau introduit dans la machine de forgeage à froid, mais avant sa mise en forme définitive, de nouvelles altérations superficielles peuvent encore se produire. Les rouleaux de passage, les dispositifs de redressage et les mécanismes d’alimentation peuvent rayer le fil d’acier ; l’usure, les ébréchures et les bavures des couteaux ou des matrices de coupe peuvent également endommager les extrémités ou les faces latérales des billettes.
Si les défauts persistent toujours dans une direction et à un emplacement fixes, ou s’ils varient nettement après le remplacement des rouleaux de passage ou des outils de coupe, il ne suffit pas de se contenter de revoir les certificats de qualité du matériau et les bobines d’origine.
VII. Pourquoi les défauts se « transmettent » jusqu’au produit fini ?
Le tréfilage étire le matériau dans le sens de la longueur, tandis que le formage à tête froide provoque une compression axiale et un écoulement radial. Les défauts initiaux peuvent s’allonger, s’affiner ou se refermer temporairement ; ils peuvent également migrer vers la tête, la collerette ou l’angle R sous l’effet du déplacement des matériaux, pour se rouvrir ensuite dans les zones fortement déformées.
Figure 12 : Fissuration du bord de la collerette sur une pièce issue du formage à tête froide. La photo montre l’endroit où le défaut apparaît en dernier lieu ; on ne peut pas, d’après l’apparence, conclure que le défaut provient nécessairement du matériau.
Les défauts longitudinaux présents sur le fil machine ne conservent pas forcément leur forme rectiligne une fois transformés en pièce finie. Ils peuvent se manifester sous forme de fissures au niveau du bord de la tête, de plis sur la collerette, de criques dans l’angle R ou encore de creux localisés, selon la géométrie de la pièce, la direction de découpe et les trajectoires d’écoulement du matériau.
Les défauts ne se reproduisent pas simplement dans la pièce finie ; ils changent de forme à chaque étape du processus tout en persistant.
VIII. Pour identifier la source des défauts, il faut repérer le moment de leur « première apparition »
L’examen des pièces finalement fissurées ne suffit généralement pas à déterminer à quelle étape du processus le défaut est apparu. Une méthode plus efficace consiste à constituer une chaîne d’échantillons depuis le lingot, le fil rond, le matériau après décapage, les demi-produits de tréfilage, les billettes destinées au formage à tête froide, jusqu’à la pièce finie, afin de repérer l’étape où le défaut fait sa première apparition.
Les anomalies se concentrent-elles sur une portion donnée du bobinage, ou bien se répètent-elles de manière continue sur toute la longueur ? La direction et la position circonférentielle des défauts sont-elles constantes ? Ces caractéristiques varient-elles après un changement de moule, de poulie de passage ou de couteau de coupe ? Des phénomènes d’oxydation, de décarburation ou des lignes d’écoulement métallurgique anormales sont-ils visibles à l’intérieur des fissures ? Tous ces éléments orientent la recherche, mais ils ne doivent jamais être considérés indépendamment des relevés d’opérations.
Point de vue de l’ingénieur
Les défauts de surface peuvent provenir de la coulée continue, du laminage, du transport, du décapage et du retraitement par tréfilage ; ils peuvent aussi se former lors des phases de passage, d’alimentation et de coupe sur la machine de formage à tête froide.
La zone où la pièce finie se fissure ne correspond pas nécessairement à l’endroit où le défaut s’est formé.
Les défauts des pièces finies ne sont que la conséquence ; ce n’est qu’en identifiant l’étape où le défaut apparaît pour la première fois que l’on peut remonter à sa véritable origine.
L’objectif du suivi des défauts n’est pas d’attribuer d’abord les responsabilités, mais de constituer une chaîne complète de preuves relatives aux différentes étapes du processus.
Si vous rencontrez également des cicatrices sur le fil rond, des entailles longitudinales, des plis ou des fissurations sporadiques lors du formage à tête froide, n’hésitez pas à m’envoyer le numéro de nuance du matériau, ses spécifications, des photos des défauts, ainsi que les postes de fabrication concernés et la répartition des anomalies. Je pourrai d’abord vous aider à déterminer si la recherche doit débuter auprès des fournisseurs d’acier bruts, des mesures de protection durant le transport, du traitement par décapage et retraitement, ou bien des équipements de formage à tête froide.
Prochain épisode en préparation
Chapitre VI : « Avec le même matériau, pourquoi le comportement diffère-t-il après tréfilage puis formage à tête froide ? »
Le prochain chapitre se concentrera sur l’influence du taux de réduction de section, du nombre de passes de tréfilage et du durcissement par écrouissage, et sur la manière dont ces facteurs modifient l’état réel du matériau lorsqu’il entre dans la machine de formage à tête froide.