Forgeage à chaud et forgeage à froid sont deux processus de mise en forme des métaux différents qui donnent des résultats similaires. Le forgeage est le processus de déformation du métal en une forme prédéfinie à l'aide de certains outils et équipements — la déformation est réalisée en utilisant des processus de forgeage à chaud, à froid ou même à chaud. En fin de compte, le fabricant examinera plusieurs critères avant de choisir le type de forgeage le mieux adapté à une application particulière. Le forgeage est utilisé lorsque la disposition de la structure de grain confère des propriétés directionnelles à la pièce, en alignant le grain de manière à résister aux contraintes maximales auxquelles la pièce sera confrontée. La coulée et l'usinage, en comparaison, ont généralement moins de contrôle sur la disposition de la structure de grain.
Processus de forgeage
Le forgeage est défini comme la mise en forme ou la déformation du métal à l'état solide. Une grande partie du forgeage est réalisée par le processus d'aplatissement où un marteau ou un piston se déplace horizontalement pour appuyer contre l'extrémité d'une tige ou d'une tige pour élargir et modifier la forme de l'extrémité. La pièce passe généralement par plusieurs stations avant d'atteindre sa forme finale. Les boulons à haute résistance sont «tête froide» de cette manière. Les soupapes de moteur sont également formées par forgeage par aplatissement.
Dans le forgeage par chute, la pièce est martelée dans un moule pour obtenir la forme des pièces finies, semblable au forgeage à marteau à enclume d’un forgeron où le métal est martelé contre une enclume pour prendre la forme souhaitée. Une distinction est faite entre le forgeage en moule ouvert et en moule fermé. Dans le forgeage en moule ouvert, le métal n’est jamais complètement contraint par le moule. Dans le forgeage en moule fermé, ou impression, le métal est contraint entre deux moitiés de moule. Des coups répétés de marteau contre le moule forcent le métal à prendre la forme du moule, et les moitiés de moule finissent par se rejoindre. L’énergie pour le marteau peut être fournie par la vapeur, pneumatiquement, mécaniquement ou hydrauliquement. Dans le vrai forgeage par chute, la gravité seule propulse le marteau vers le bas, mais de nombreux systèmes utilisent une assistance électrique combinée à la gravité. Le marteau délivre une série de coups à haute vitesse et faible force pour fermer le moule.
Dans le forgeage par presse, une haute pression est substituée à une haute vitesse et les moitiés de moule sont fermées en un seul coup généralement délivré par un vis de puissance ou des cylindres hydrauliques. Le forgeage par marteau est souvent utilisé pour produire de plus petites quantités de pièces, tandis que le forgeage par presse est généralement réservé aux grandes séries et à l'automatisation. La mise en œuvre lente du forgeage par presse tend à mieux travailler l’intérieur de la pièce que le martelage et est souvent appliquée aux pièces grandes et de haute qualité (par exemple, cloisons d’avion en titane). D’autres méthodes de forgeage spécialisées varient selon ces thèmes de base : les bagues de roulement et les grandes engrenages en anneau sont fabriqués par un procédé appelé forgeage en anneau roulé, qui produit des pièces circulaires sans soudure.
Forgeage à chaud
Lorsqu’une pièce de métal est forgée à chaud, elle doit être chauffée de manière significative. La température moyenne de forgeage nécessaire pour le forgeage à chaud de différents métaux est :
Jusqu’à 1150°C pour l’acier
360 à 520°C pour les alliages d’aluminium
700 à 800°C pour les alliages de cuivre
Pendant le forgeage à chaud, le lingot ou la bille est chauffé soit par induction, soit dans un four ou un four de forgeage à une température supérieure au point de recristallisation du métal. Ce type de chaleur extrême est nécessaire pour éviter le durcissement par contrainte du métal lors de la déformation. Étant donné que le métal est dans un état plastique, des formes assez complexes peuvent être réalisées. Le métal reste ductile et malléable.
Pour forger certains métaux comme les superalliages, un type de forgeage à chaud appelé forgeage isotherme est utilisé. Ici, le moule est chauffé à peu près à la température du lingot pour éviter le refroidissement de la surface de la pièce pendant le forgeage. Le forgeage est également parfois effectué dans des atmosphères contrôlées pour minimiser la formation d’écailles.
Traditionnellement, les fabricants choisissent le forgeage à chaud pour la fabrication de pièces car cela permet la déformation du matériau dans son état plastique où le métal est plus facile à travailler. Le forgeage à chaud est également recommandé pour la déformation de métaux présentant un taux de formabilité élevé, une mesure de la quantité de déformation qu’un métal peut subir sans développer de défauts. D’autres considérations pour le forgeage à chaud incluent :
Production de pièces discrètes
Précision faible à moyenne
Faibles contraintes ou faible durcissement par travail
Structure de grain homogénéisée
Ductilité accrue
Élimination des incongruités chimiques et de la porosité
Les inconvénients possibles du forgeage à chaud incluent :
Tolérances moins précises
Risque de déformation du matériau lors du refroidissement
Structure de grain métallique variable
Réactions possibles entre l'atmosphère ambiante et le métal (formation d'écaillage)
Forgeage à froid (ou façonnage à froid)
Le forgeage à froid déforme le métal alors qu'il est en dessous de son point de recristallisation. Le forgeage à froid augmente quelque peu la résistance à la traction et la limite d'élasticité tout en réduisant la ductilité. Le forgeage à froid se déroule généralement à température ambiante. Les métaux les plus couramment utilisés dans les applications de forgeage à froid sont généralement des aciers standard ou alliés au carbone. Le forgeage à froid est généralement un procédé en moule fermé.
Le forgeage à froid est généralement préféré lorsque le métal est déjà un métal doux, comme l'aluminium. Ce procédé est généralement moins coûteux que le forgeage à chaud et le produit final nécessite peu, voire aucune finition. Parfois, lorsque le métal est forgé à froid dans une forme souhaitée, il est traité thermiquement par la suite pour éliminer les contraintes résiduelles de surface. En raison des améliorations apportées à la résistance du métal par le forgeage à froid, il est parfois possible d'utiliser des grades de matériaux inférieurs pour produire des pièces utilisables qui ne pourraient pas être fabriquées à partir du même matériau par usinage ou forgeage à chaud.
Les fabricants peuvent choisir le forgeage à froid plutôt que le forgeage à chaud pour plusieurs raisons — puisque les pièces forgées à froid nécessitent très peu ou pas de finition, cette étape du processus de fabrication est souvent dispensable, ce qui permet d'économiser de l'argent. Le forgeage à froid est également moins susceptible de poser des problèmes de contamination, et la pièce finale présente une meilleure finition de surface globale. Parmi les autres avantages du forgeage à froid figurent :
Plus facile à doter de propriétés directionnelles
Reproductibilité améliorée
Contrôle dimensionnel accru
Supporte des contraintes élevées et des charges importantes sur les matrices
Produits des pièces de forme nette ou quasi-nette
Certains inconvénients possibles incluent :
Les surfaces métalliques doivent être propres et exemptes d'écaillage avant le forgeage
Le métal est moins ductile
Des contraintes résiduelles peuvent apparaître
Un équipement plus lourd et plus puissant est nécessaire
Un outillage plus robuste est requis
Forgeage à chaud
Le forgeage à chaud se déroule en dessous de la température de recristallisation mais au-dessus de la température ambiante pour lutter contre les inconvénients et tirer parti des avantages du forgeage à chaud et à froid. La formation d'écaillage est moins problématique et les tolérances peuvent être respectées plus précisément que pour le forgeage à chaud. Les coûts d'outillage sont moindres et des forces plus faibles sont nécessaires pour la fabrication par rapport au forgeage à froid. Le durcissement par déformation est réduit et la ductilité améliorée par rapport au travail à froid.
Applications
Dans l'industrie automobile, le forgeage est utilisé pour fabriquer des composants de suspension tels que les bras d'entraînement et les épingles de roue, ainsi que des composants de groupe motopropulseur tels que les bielles et les engrenages de transmission. Les pièces forgées sont souvent utilisées pour les tiges de soupape, les corps et les brides de pipelines, parfois en alliage de cuivre pour une résistance accrue à la corrosion. Les outils à main tels que les clés sont généralement forgés, tout comme de nombreux raccords de câble métallique tels que les douilles et les tendeurs. Les pièces forgées sont largement utilisées dans la construction navale, pour des composants aéronautiques, dans la machinerie agricole et sur les équipements tout-terrain. Les composants de transmission électrique tels que les pinces de suspension et les capuchons de piédestal utilisent des pièces forgées en alliage de cuivre pour une meilleure résistance aux intempéries.
Les aciers de forgeage utilisés pour les essieux, les bielles, les broches, etc., sont généralement de 0,30-0,40% de carbone pour une meilleure formabilité. Le traitement thermique après forgeage permet aux pièces de développer de meilleures propriétés mécaniques que celles de l'acier à faible teneur en carbone. Dans le cas des vilebrequins lourds et des engrenages à haute résistance, la teneur en carbone est parfois augmentée à 0,50% avec d'autres éléments d'alliage ajoutés pour améliorer la trempabilité.
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