Analyse des causes de formation de fissures lors du forgeage et du traitement thermique

Le forgeage et le traitement thermique sont des processus cruciaux dans le travail des métaux, ayant un impact significatif sur les propriétés mécaniques et la qualité finale des produits métalliques. Cependant, les fissures qui se forment lors du forgeage et du traitement thermique constituent un problème de qualité courant. Ces fissures affectent non seulement les performances des pièces moulées, mais peuvent également entraîner des rebuts et réduire l'efficacité de la production. Cet article analysera les principales causes de formation de fissures lors du forgeage et du traitement thermique, ainsi que les mesures efficaces pour éviter l'apparition de fissures.

1. Causes de la formation de fissures lors du forgeage

Le forgeage consiste à appliquer une force externe pour provoquer une déformation plastique des matériaux métalliques à haute température, leur donnant ainsi la forme souhaitée. Si le forgeage joue un rôle essentiel dans l’amélioration de la structure interne des métaux, l’environnement complexe et les propriétés des matériaux conduisent souvent à la formation de fissures. Voici les principales causes de fissures lors du processus de forgeage :

1.1 Défauts matériels

Les défauts du matériau de forgeage, tels que les inclusions, les pores et les fissures internes, peuvent être amplifiés pendant le processus de forgeage. Les impuretés non métalliques ou les zones fragiles localisées dans la matière première peuvent facilement se fissurer lors du forgeage, devenant ainsi l'origine de fissures. Cela est particulièrement vrai pour les alliages à haute résistance, les aciers à outils et les matériaux similaires, où les défauts internes peuvent se développer rapidement lors du forgeage, entraînant des fissures.

1.2 Contrôle inapproprié de la température

La température de forgeage affecte directement l’écoulement plastique du métal. Des températures trop élevées ou trop basses peuvent entraîner des fissures. Lorsque la température est trop basse, le métal manque de plasticité et de fluidité suffisantes, ce qui rend les fissures plus probables. Lorsque la température est trop élevée, la surface du métal peut s'oxyder et des phases dures et cassantes peuvent se former à l'intérieur, augmentant ainsi le risque de fissuration. Par conséquent, un contrôle précis de la température est essentiel et la température doit être maintenue dans une plage appropriée pour le matériau.

1.3 Paramètres de forgeage incorrects

Les paramètres du processus de forgeage tels que la pression, la vitesse et le degré de déformation jouent un rôle important dans la formation de fissures. Si la vitesse de forgeage est trop élevée, le métal peut ne pas s'écouler uniformément dans la matrice, entraînant une concentration de contraintes et la formation de fissures. Si la vitesse est trop lente, cela peut provoquer une surchauffe localisée, entraînant une répartition inégale de la température et des fissures thermiques ou froides potentielles.

1.4 Concentration des contraintes

Si le matériau subit une répartition inégale des contraintes pendant le forgeage, il est plus susceptible de former des zones de concentration de contraintes, en particulier dans les cas où la conception de la matrice est mauvaise ou la forme de la pièce est complexe. La concentration de contraintes dans ces zones peut devenir à l'origine de fissures. Ceci est particulièrement fréquent dans les pièces moulées d'épaisseur inégale, où les répartitions des contraintes internes et externes ne sont pas uniformes, ce qui rend les fissures plus probables.

1.5 Problèmes de conception et de maintenance des matrices

La conception et l’entretien des matrices de forgeage affectent directement l’écoulement du métal et l’uniformité des contraintes pendant le processus de forgeage. Une mauvaise conception du système de refroidissement de la matrice ou des surfaces de matrice rugueuses peuvent entraîner une surchauffe localisée ou un refroidissement irrégulier, augmentant ainsi le risque de fissures.

2. Causes de formation de fissures pendant le traitement thermique

Le traitement thermique consiste à chauffer, maintenir et refroidir les métaux pour modifier leur structure interne et améliorer leurs propriétés mécaniques. Cependant, un traitement thermique inapproprié peut également provoquer la formation de fissures. Voici les principales causes de formation de fissures lors du traitement thermique :

2.1 Température de chauffage inégale

Une répartition inégale de la température pendant le traitement thermique est une cause fréquente de fissures. Si certaines zones de la pièce sont chauffées de manière inégale, elles peuvent se dilater différemment, créant des contraintes internes conduisant à des fissures. Cela est particulièrement vrai pour les pièces de grande taille ou de forme complexe, où les gradients thermiques peuvent provoquer des fissures lors du chauffage.

2.2 Refroidissement rapide induisant une contrainte thermique

Pendant le traitement thermique, en particulier pendant la trempe, si la vitesse de refroidissement est trop rapide (comme dans la trempe à l'eau), la surface et le métal interne peuvent subir des taux de changement de phase et de concentration de contraintes différents. Dans ce cas, la surface métallique se contracte rapidement, tandis que l'intérieur peut se dilater en raison d'un refroidissement plus lent, entraînant la formation de fissures froides. Les aciers à haute teneur en carbone et les aciers alliés sont particulièrement sujets à des fissures fragiles dues à un refroidissement rapide.

2.3 Processus de traitement thermique inapproprié

Le choix des paramètres de traitement thermique a un impact direct sur la microstructure et les propriétés du matériau. Si les paramètres de traitement thermique tels que la température de chauffage, le temps de maintien et la vitesse de refroidissement sont incorrects, des structures internes inégales peuvent se former, entraînant des contraintes internes et finalement des fissures. Pour certains matériaux, comme l'acier à haute teneur en carbone, des températures de chauffage excessives peuvent conduire à la précipitation de carbures, formant des phases dures et cassantes sujettes à la fissuration.

2.4 Fragilisation par l'hydrogène

La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène dans lequel le métal absorbe de l'hydrogène gazeux, entraînant une réduction de la ténacité et rendant les fissures plus probables. Lors du traitement thermique, en particulier dans des environnements à haute température, l'hydrogène peut pénétrer dans le métal, réduisant ainsi sa ductilité. La fragilisation par l'hydrogène est couramment observée dans les aciers à haute résistance et certains aciers alliés, où les fissures peuvent se propager rapidement sous l'effet des contraintes.

2.5 Contrainte résiduelle non libérée

Les contraintes résiduelles générées lors du forgeage, si elles ne sont pas efficacement libérées lors du traitement thermique, peuvent conduire à des fissures. Par exemple, si les pièces forgées ne sont pas suffisamment recuites ou détendues, des contraintes résiduelles subsistent dans le métal. Lors du traitement thermique, ces contraintes peuvent provoquer de nouvelles fissures dues aux changements de température.

3. Comment prévenir la formation de fissures

Pour réduire la formation de fissures lors du forgeage et du traitement thermique, les mesures suivantes doivent être mises en œuvre :

3.1 Optimiser les paramètres du processus

Contrôlez les paramètres du processus de forgeage et de traitement thermique, notamment la température et la vitesse de refroidissement. Pendant le forgeage, la température doit être contrôlée dans la plage appropriée et la vitesse de forgeage doit être ajustée en fonction des exigences spécifiques de la pièce. Lors du traitement thermique, évitez les refroidissements rapides, notamment pour les matériaux difficiles à tremper. Au lieu de cela, des méthodes de refroidissement plus lentes telles que la trempe à l’huile ou le refroidissement à l’air doivent être utilisées.

3.2 Améliorer la conception des matrices

Pour les matrices de forgeage, une conception raisonnable est essentielle en fonction de la forme de la pièce et des propriétés du matériau. Assurez-vous que le système de refroidissement de la matrice est uniformément réparti et efficace, en évitant les surchauffes localisées. Un entretien régulier des matrices doit également être effectué pour garantir des surfaces lisses et planes afin d'éviter la concentration de contraintes causée par les défauts de la matrice.

3.3 Contrôle de la qualité des matériaux

Inspectez strictement la qualité du matériau avant de forger et éliminez tout défaut dans les matières premières. Le prétraitement du matériau par des processus tels que le recuit peut réduire les contraintes internes et améliorer la plasticité du matériau, réduisant ainsi le risque de formation de fissures.

3.4 Sélectionner avec précision les processus de traitement thermique

Choisissez des procédés de traitement thermique appropriés en fonction des caractéristiques spécifiques du matériau. Évitez les températures de chauffage excessives, en particulier pour les aciers à haute teneur en carbone et alliés. Des temps de maintien et des taux de refroidissement appropriés doivent être sélectionnés pour éviter les fissures à froid. Les vitesses de refroidissement doivent être modérées, en particulier pour les pièces nécessitant un refroidissement lent.

3.5 Soulagement du stress résiduel

Effectuez des traitements de recuit ou de réduction des contraintes appropriés avant le traitement thermique pour éliminer les contraintes résiduelles du forgeage. Cette étape réduira le risque de fissures lors du processus de traitement thermique. Pour les pièces de grande taille ou de forme complexe, envisagez d'utiliser des méthodes de chauffage ou de refroidissement segmentées pour éviter la concentration des contraintes.

La formation de fissures lors du forgeage et du traitement thermique est un phénomène complexe qui implique divers facteurs, tels que les paramètres du processus, les défauts des matériaux et la conception des matrices. En optimisant le contrôle des processus, en améliorant la conception des matrices, en garantissant la qualité des matériaux et en sélectionnant les processus de traitement thermique appropriés, les fissures peuvent être efficacement minimisées, garantissant ainsi des produits de haute qualité. Pour les professionnels de l'industrie de la forge, comprendre les causes de la formation de fissures et prendre des mesures proactives pour les prévenir est essentiel pour améliorer l'efficacité de la production et garantir la qualité des produits.