STAGE D INITIATION AUX TECHNIQUES DE FORGE

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1 ASSOCIATION DE MISE EN VALEUR DU CHATEAU DE COUCY 7, rue du pot d étain Coucy le chateau - Tel: STAGE D INITIATION AUX TECHNIQUES DE FORGE DOCUMENT TECHNIQUE

2 Introduction Le forgeage est un procédé de travail qui permet de modeler le métal ramolli à chaud, par chocs ou par pression afin de l amener par déformations successives à la forme désirée. Le forgeable s effectue dans une forge, terme qui désigne aussi bien l atelier du forgeron que le foyer destiné à chauffer au rouge les pièces à travailler. L activité de forgeron est apparue en même temps que la découverte du travail des métaux, environ 1500 ans av. J.-C. ; elle est devenue un métier à part entière à mesure que les peuples exprimèrent leur besoin d avoir des objets plus résistants et aux usages variés (armes, parties mécaniques, grilles, clefs, bijoux, etc.). Il existe différentes spécialités dans le métier de forgeron, on peut citer : - Le maréchal ferrand qui fabrique et pose les fers à cheval - Le ferron qui fabriquait les cerclages des roues de charrettes et des tonneaux - Le taillandier qui réalise des outils tranchants (outils de taille de pierre, haches.) - Le dinandier qui fabriquait des ustensiles de cuisines. - Le serrurier, plus particulièrement spécialisé dans la construction métallique. - Le coutelier - Le ferronnier d art -. Les matériaux : On peut forger du fer doux ou de l acier. Le fer ne se trouve pratiquement pas sur terre à l état naturel. Bien que le noyau de la terre soit principalement constitué de fer, on ne le trouve sur celle-ci qu à l état de minerai, c est à dire un mélange d oxydes de fer et de minéraux. L acier est un alliage de fer et de carbone (plus de 1%) auquel on peut incorporer d autres métaux (chrome, molybdène ) afin de lui donner des propriétés particulières. Au-dessus de 2% de carbone, on obtient de la fonte qui, trop cassante pour être forgée ne peux qu être moulée. Le fer s obtient par réduction du minerai. Il s agit de séparer les minéraux des oxydes de fer, puis de réduire ces oxydes en fer Jusqu au XIVe siècle, la réduction se faisait en bas fourneaux par procédé direct Cette méthode est pratiquement abandonnée sauf pour quelques usages spéciaux (fabrication de sabres Katanas au Japon, reconstitution d armes médiévales ) Elle était encore utilisée en Afrique jusqu à il y a environ 50 ans. A partir du XIVe siècle, on commence à utiliser la méthode indirecte en hauts fourneaux qui produit de la fonte, laquelle sera ensuite affinée pour devenir de l acier ou du fer doux C est cette méthode qui est aujourd hui presque universellement employée Page 2

3 Qu'est ce que l'acier? Au commencement était le fer... Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte à avant J.C. Depuis les Hittites jusqu'à la fin du Moyen Age, l'élaboration du fer resta la même : on chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés - et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé. La forge était installée à quelques pas du foyer où s'élaborait le métal. D'abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le "bas-fourneau", perfectionné petit à petit : de l'ordre de quelques kilos à l'origine, les quantité obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age. On fabriqua aussi dès le début, de petites quantité d'acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant. Puis vint la fonte... Au XVème siècle, la génération des premiers "hauts fourneaux" de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau). La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l'affinage : le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut...et enfin l'acier En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français, établirent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux*. Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s'impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle. Au début du XXème siècle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu'en Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes. En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications. * La teneur en carbone est de moins de 0,10% dans le fer, de 0,10 à 2% dans l'acier et de 2,5 à 6% dans la fonte. Aujourd'hui, on ne parle plus de fer mais d'aciers "à très bas carbone". C'est pourquoi il n'y a pas un acier mais des aciers. L'acier, métal pluriel L'acier, c'est du fer additionné de carbone, depuis un taux proche de 0%, correspondant à des traces infimes, jusqu'à 2%. Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal. On distingue 2 grandes familles d'acier : les aciers alliés et les aciers non-alliés. Il y a alliage lorsque les éléments chimiques autres que le carbone sont additionnés au fer selon un dosage minimal variable pour chacun d'eux. Par exemple : 0,50% pour le silicium, 0,08% pour le molybdène, 10,5% pour le chrome. Ainsi un alliage à 17% de chrome + 8% de Nickel est un acier inoxydable.

4 Préparation des matériaux Le minerai est extrait de la terre, dans des mines. Il est ensuite remonté pour être lavé et trié. Il est ensuite concassé à l aide d un boccard pour ammener les cailloux à une taille qui leur permette d être fondus. Fabrication du charbon de bois necessaire à la réduction du minerai

5 LA TRANSFORMATION DU MINERAI Réduction directe en bas-fourneau Transformation du minerai au cours de sa descente dans le four Minerai brut concassé à la taille de 2 cm Début de la transformation: 3Fe 2 O 3 + CO -> 2Fe 3 O 4 + CO 2 Le minerai garde sa forme Il se fendille, se fragilise, se déshydrate et éventuellement se calcine Charbon de bois Transformations suivantes: Fe 3 O 4 + CO -> 3FeO + CO 2 et FeO + CO -> Fe + CO 2 Le minerai garde sa forme Apparition des premiers points métalliques Croissance et agglomération des particules métalliques Sortie démontable Le minerai garde sa forme, localement il s arrondit Les zones métalliques se développent. Les oxydes de fer non encore réduits et les autres constituants du minerai commencent à se combiner pour former le scorie. à T > 1100 C La scorie devient pateuse. les zones de métal se rapprochent. Ramolissement général des minerais Le métal se ramollit, se soude en partie. La scorie devient liquide, coule et se sépare du métal. Face à l arrivée d air, les petites masses de fer se soudent et forment un produit plus important. La scorie tombe au fond du four, peut constituer un bain liquide éventuellement évacué à l extérieur par un trou de coulée. Air T >1100 C Tuyère Masse de métal Scories liquides Scories solides Trou de coulée Page 11

6 Réduction en bas fourneaux lors d un stage à Coucy le Chateau (Aisne) Il s est agit notamment de chauffer lles fours en les alimentant en charbon de bois pendant toute la durée de la réduction. La température à l intérieur du four dépassera les Ci-dessus, compactage de la loupe à la sortie du four. 4 Ci-dessus, alimentation du fourneau par charges alternées en minerai et charbon de bois. L opération de réduction de minerai est en cours. La descente du minerai dans le four se fait au rythme de la combustion. Vidange régulière du four de ses scories 3 Réchauffage de la loupe dans la forge tunnel 5 compactage et épuration (cinglage) de la loupe Après refroidissement de la loupe; analyse et vérification de présence de fer. Récupération de la loupe. A gauche, la moitié d une loupe et le lingot obtenu à partir de l autre moitié après l avoir compactée et épurée des scories à la forge. Le massiot est ensuite battu et replié plusieurs fois, afin d obtenir un morceau de fer forgeable (corroyage) Page 4

7 Généralité sur le haut fourneau: Le haut-fourneau Le haut fourneau est un réacteur à lit consommable à contre-courant. Les réactions principales qui s y déroulent sont: - Les réactions de réduction des oxydes - Les réactions d échange entre le métal et le laitier. Le schéma ci-dessous résume les opérations essentielles. Le haut-fourneau et ses installations annexes: Le coke et le minerai aggloméré sont chargés en couches alternées dans le haut fourneau. Le coke, après combustion, sous l effet du vent chaud soufflé aux tuyères, conduit à la fusion de la charge et à la réduction du minerai. Les gaz récupérés au gueulard sont dépoussiérés puis utilisés pour le préchauffage du vent dans les cowpers, dans le service des hauts fourneaux, et dans d autres services pour le chauffage des fours et la production d énergie électrique.

8 - 1 - Des matières premières à l acier liquide. Finalité : ajuster la composition chimique de l acier Deux procédés : filière fonte et filière électrique Un processus de transformation en trois étapes De l acier liquide aux demi-produits :solidification de l acier et ébauches de formes. Deux procédés : coulée continue et coulée en lingots Des demi-produits aux produits finis :mise en forme et mise à dimensions par laminage, finitions diverses pour la vente. Deux familles de produits : les longs (poutrelles, barres, fils, ) et les plats (plaques, tôles en feuilles ou en bobines).

9 La filière fonte La filière fonte se compose de quatre étapes principales : 1 - Usines d'agglomération 2 - Cokerie 3 - Haut fourneau 4 - Convertisseur 1 - Usine d'agglomération Le minerai de fer est préparé : broyé et calibré en grains qui s'agglomèrent (s'agglutinent) entre eux. L aggloméré obtenu est concassé puis chargé dans le haut fourneau avec du coke. Le coke est un combustible puissant, résidu solide de la distillation de la houille (variété de charbon très riche en carbone). 2 - Cokerie Le coke est un combustible obtenu par distillation (gazéification des composants indésirables) de la houille dans le four de la cokerie. Le coke est du carbone presque pur doté d une structure poreuse et résistante àl écrasement. En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et les gaz nécessaires à sa réduction 3 - Haut fourneau On extrait le fer de son minerai. Minerai et coke solides sont enfournés par le haut. L'air chaud (1200 C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). L'oxyde de carbone ainsi formé va "réduire" les oxydes de fer, c'est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, isoler le fer. La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange à base de fer, appelé "fonte". 4 - Convertisseur à l'oxygène Ce procédé, actuellement le plus répandu, est basé sur l insufflation d oxygène pur dans un bain de fonte liquide. On peut ainsi transformer celle-ci en acier liquide, en assurant simultanément l élimination de G, Si, Mn, P et S et l élévation de température nécessaire pour passer de la fonte liquide (1 250 C en moyenne) à l acier liquide (1600 C enmoyenne). le réglage de la température finale se fait par introduction de ferrailles à refondre. Les appareils (convertisseurs) sont des cornues, garnies réfractaires, atteignant 8 m de diamètre et jusqu à 10 m de haut. Les convertisseurs sont en général immobiles au cours du soufflage et les divers procédés se distinguent par le mode d insufflation de l oxygène: - L insufflation par des tuyères réfractaires placées dans le fond du convertisseur: procédés OBM (Oxygen Boden Maxhütte) et LWS (loire-wendel-sidélor). - L insufflation par le bec de la cornue à l aide d une lancemétallique refroidie à l eau : procédés LO (Linz-Oonawitz) et son dérivé le procédé OLP (oxygène-lance-poudre) dans lequel de la poudre de chaux est introduite simultanément pour traiter les fontes très phosphoreuses. Remarque : Une amélioration des procédés à lance consiste à brasser le bain par insufflation de gaz Le procédé LD est adapté au traitement des fontes peu phosphoreuses ou hématites, le procédé OLP est adapté au traitement des fontes phosphoreuses.

10 Filière électrique La matière première enfournée peut aller du matériau brut (par exemple des pièces de machine) dûment sélectionné, jusqu à la ferraille livrée préparée, triée, broyée, calibrée, avec une teneur minimale en fer de 92 %. On fond les ferrailles dans un four électrique. L ACIER LIQUIDE obtenu est ensuite soumis aux mêmes opérations d affinage et de mise à nuance que dans la filière fonte. Les ferrailles proviennent des emballages jetés, des bâtiments, machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d acier récupérés dans la sidérurgie ou chez ses clients transformateurs. Chaque nuance d acier nécessite un choix rigoureux de la matière première, en fonction notamment des «pollutions» que peut représenter, pour cette nuance précise, tel métal ou autre minuerai contenu dans les ferrailles. Four électrique : processus Un «panier à ferrailles», chargé à l aide d un aimant, achemine la matière première jusqu au four. La fusion a lieu grâce à des arcs électriques puissants, qui jaillissent entre des électrodes et la charge à fondre. On récupère les résidus (laitier). On obtient de l acier liquide, qui va être acheminé vers l installation d affinage et de mise à nuance. La filière de la refusion des ferrailles utilise un four à sole réfractaire sur laquelle sont placées les matières à refondre. L énergie thermique est fournie par production d arcs électriques entre trois électrodes et la charge. Naguèreréservé à l élaboration d aciers spéciaux, le procédé électrique assure actuellement une part importante du tonnage des aciers courants Il a dans ce domaine, définitivement remplacé l élaboration sur sole au four Martin. Le procédé électrique basique est le plus répandu. il est caractérisé par:. Une haute température du bain ( > 1800 C) facilement réglable, ce qui facilite la fusion des laitiers très réfractaires et la réduction des oxydes..la non-intervention de l atmosphère du four qui est neutre. Les réactions ont uniquement lieu entre le bain et les additions à l aide desquelles on peut réaliser un milieu oxydant ou réducteur, On peut en outre réaliser la fusion d éléments oxydables comme le Cr sans perte par formation d oxydes. Marche d une opération Les fours d une capacité de 5 à 250 tonnes sont alimentés sous des tensions de 100 à 200 V. l intensité pouvant atteindre A par électrode. la sole et les parois latérales sont garnies de revêtements de dolomie (basique) qu on réfectionne périodi-quement. L utilisation des parois refroidies à l eau segénéralise et permet, entre autres, d augmenter la durée du revêtement et de réduire la consommation des électrodes. La marche comprend trois étapes: a) Fusion: après chargement la fusion commence et dure quelques heures. Au cours de cette étape on ajoute la chaux qui sera nécessaire à la formation du laitier de déphosphoration. En fin de fusion on introduit du minerai de fer. b) Oxydations. et décrassage: l oxyde de fer sert de vecteur oxygène pour l élimination de Si. Mn. C. La déphosphoration peut être très poussée. des laitiers très calcaires pouvant être fondus. En fin d opération le fer commence à s oxyder. L alimentation du four est arrêtée et on procède à un décrassage. c) Réductions et additions. l alimentation étant rétablie. On crée un laitier désoxydant et désulfurant par ajout de ferrosilicium, de chaux et de spath-fluor, On peut réaliser des laitiers carburés (carbure de calcium) très réducteurs. Au four électrique désulfuration et désoxydation sont très poussées (S > %, %). Les additions finales sont ajoutées avant coulée. Dans le cas d élaboration des aciers inoxydables, on peut injecter de l oxygène conduisant à une décarburation poussée nécessaire pour ces nuances.

11 De l acier liquide aux demi-produits: solidification de l acier et ébauches de formes. COULEE DE l ACIER La coulée de l acier liquide s opère selon deux techniques différentes. - La moulée en lingotières qui reste prépondérante dans les zones de technologie sidérurgique peu développée (U.S.A, Pays Soviétiques). - La coulée continue qui est devenue prépondérante dans les zones de technologie sidérurgique développée (Japon, Allemagne, Italie). La France est en position médiane après ces derniers. 1. LA COULÉE CONTINUE La poche de coulée alimente directement un répartiteur qui alimente à son tour plusieurs lignes de coulée. Des systèmes divers (tourniquets) permettent de ne pas interrompre l opération au changement de poche. Deux configurations sont utilisées..-machines verticales - machines courbes avec cintrage à l état solide ou partiellement solidifié. - Les machines verticales sont plus onéreuses et plus encombrantes. Cependant pour certains produits l extraction sur cœur liquide peut conduire à des criques et dességrégations. En outre sur machines courbes il y a décantation des inclusions à la partie supérieure des produits. Les machines verticales seront donc préférées pour les aciers de haute qualité. La coulée continue conduit à une augmentation des cadences de coulée. à l absence du phénomène de retassure. De plus elle supprime la première étape du laminage en donnant directement des billettes. Des blooms ou des brames. l automatisation est concevable pour ces installations. * Les aciéries françaises utilisent presque exclusivement pour leur production la coulée continue sur machines courbes, la voie lingots étant totalement supprimée. 1. LA COULÉE EN LINGOTIÈRE L acier élaboré selon les procédés précédents est recueilli à l état liquide dans des poches. Il est ensuite coulé et solidifié après un séjour dans la poche de 5 à 10 min (décantation). Les lingotières sont en général en fonte. Leur forme épouse celle des produits laminés à produire: lingots à section carrée pour les produits long, à section méplate pour les produits plats. La coulée se fait selon deux procédés : Coulée en chute: le métal est versé directement dans la lingotière. Coulée en source: le métal arrive par un canal en réfractaire par le bas de la lingotière. Cette technique donne des aciers de meilleure qualité mais est plus onéreuse. Lorsque la solidification est suffisamment avancée le moulage a lieu et les lingots sont acheminés dans des «pits» où la solidification s achève: la température est maintenue à C, valeur optimale pour le laminage à suivre. Les défauts principaux des lingots sont: - Une hétérogénéité chimique inhérente au processus de fabrication. Le forgeage suivi ou non d un recuit d homogénéisation remédie partiellement à ce défaut. - La retassure due au retrait de l acier au cours du refroidissement. Ce phénomène concerne essentiellement les aciers calmés. alors que les aciers effervescents en sont exempts. On peut y remédier en chutant la partie supérieure localisée la poche de retassure, ou par masselottage, ou par compression. - Les soufflures : propres aux aciers effervescents. Elles sont dues à des dégagements gazeux CO. H2.N2. Elles sont aplaties par le forgeage mais leurs parois peuvent ne pas se souder. L emploi d aciers semi-calmés permet de profiter des avantages des deux catégories (0.05 à 0.15 % Si). Les criques superficielles et les tapures internes dues à des anisotropies de retrait pouvant entraîner des dépasse-ments locaux de la charge de rupture. Remarque: La coulée sous vide s adapte parfaitement à la coulée en lingotière et permet d abaisser les teneurs en H2.N2. une forte désoxydation des effervescents par élimination de CO (FeO + C -> CO + Fe) ainsi qu une diminution de la densité inclusionnaire.

12 Les produits de l'acier DEMI-PRODUITS issus de la coulée continue PRODUITS FINIS issus du laminage* PRODUITS PLATS LAMINES A CHAUD PRODUITS LONGS LAMINES A CHAUD RELAMINES A FROID * Tous les produits ne sont pas mis en forme par laminage : ils peuvent être forgés, moulés à partir d'acier liquide ou encore fabriqués à l'aide de poudres d'alliages. - Laminage des produits plats: de la brame à la tôle. La brame est réchauffée dans un four pour rendre le métal plus malléable, donc plus facile à étirer et à mettre en forme. L'ébauche est ensuite amincie par écrasements progressifs entre les cylindres du laminoir. - Laminage des produits longs Les blooms ou billettes issues de la coulée en lingots sont transformés en poutrelles, profilés, rails, barres ou fils. Le laminage s'effectue à chaud. Certains produits plats subissent ensuite un amincissement complémentaire, effectuée par laminage à froid. Ils peuvent également être revêtus pour protéger le métal contre l'oxydation.

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14 Le fer peut être allongé, ou étiré, car il est ductile. Il peut être aplati, subir des changements de forme, car il est malléable. La ductilité, la malléabilité des fers et aciers augmentent avec la température du métal, inversement, la dureté diminue avec l élévation de la température. Forgeage. - Opérations permettant le façonnage par percussion du métal préalable ment chauffé. La température varie suivant le métal à travailler (les aciers fondus ne peuvent être chauffés au blanc, température dépassant ) et l opération à exécuter. La fonte ne peut être forgée, car elle n est pas suffisamment malléable. On distingue les pièces utilisées brutes de forge et les pièces à usiner. Dans ce dernier cas les cotes du dessin doivent être modifiées de telle sorte que l usinage ultérieur soit possible sur la pièce forgée. LA FORGE Emplacement: Aéré, loin des matières inflammables (essence, huile, etc.); à l abri des rayons du soleil, qui gênent le contrôle de la couleur du métal chaud. Sol en terre battue de préférence. Espace suffisant pour l aisance des mouvements du forgeron. La forge. Les différentes parties d une forge sont: a) le bâti, en tôle et profilés du commerce; b) la hotte et sa cheminée (pour forges fixes); c) le foyer, garni de terre à four ou de plâtre; d) la soufflerie, conduites et régulateur; e) la tuyère; f) les accessoires du foyer (bacs à eau et charbon, pelle, tisonnier, pique-feu, mouillette; g) le râtelier qui supporte les outils; h) l armoire ou coffre de rangement du petit outillage. Il existe des forges dites portatives, dont la soufflerie est fixée sur le bâti (soufflet dans un cylindre en tôle, ou ventilateur à main. Leur emploi permet d assurer l exécution des travaux de forge élémentaires de petits établissements. Etant donné la possibilité de les transporter d un point à un autre, elles ne comportent ni hotte, ni cheminée. Combustible. Le charbon de forge est du grain de houille grasse, dite maréchale, très propre. Cette houille donne un coke se coagulant facilement, ce qui permet au forgeron de bien entourer, s il le désire, la pièce à chauffer. Le coke peut aussi être utilisé particulièrement pour chauffer les pièces à braser. Le chabon en combustion pend le nom de fraisil ; il forme un résidu nuisible. le mâchefer, qui se dépose en se solidifiant sur la tuyère. Il faut l éliminer.

15 LA SOUFFLERIE Ensemble des appareils qui produisent et amènent au foyer de l air sous pression, dont le rôle est d activer la combustion du charbon de forge. - Soufflets en cuir, à simple et double effet (de qualité, mais encombrants). Ces soufflets fonctionnent au moyen d une chaîne et de la branloire. Seuls ceux à double effet donnent un débit d air régulier, réglé par la cadence des mouve-ments de la chaîne. - Ventilateurs, à main ou à moteur. Donnent un débit d air très régulier. Le régulateur (robinet sur la conduite)permet le réglage de l air envoyé par le ventilateur mû mécaniquement. - Conduites. _ Tuyaux soigneusement assemblés, amenant l air à la tuyère. - Tuyère. - Pièce en fonte. à un ou plusieurs trous; distribue l air dans le foyer, Son axe est horizontal (forges portatives), mais le plus souvent vertical. La tuyère est munie d une trappe pour l évacuation des scories qui pénètrent par le trou (ces scories ne doivent pas tomber sur le charbon). Les accessoires: - Le bac à charbon avec sa pelle.- Le bac à eau, nécessaire pour mouiller le feu au moyen de la mouillette, afin de limiter son extension; pour refroidir le métal et les tenailles; pour accomplir les opérations de trempe et de revenu. - Le tisonnier et le pique-feu,outils d entretien du feu. - Le râtelier. Permet le rangement des tenailles. marteaux et outils de percussion emmanchés.. - Le coffre, dans lequel sont rangés les petits outils de mesure, les ciseaux à chaud, tranchets et tas d enclumes, limes. etc. - Précautions. - Les manches des outils de percussion et des marteaux se dessèchent(et brûlent) s ils sont près du feu. En aucun cas ils ne doivent être posés sur la forge. - Les brûlures aux mains. assez fréquentes, ne sont pas dangereuses (sauf quand lapeau est arrachée. il faut alors un pansement). - Ranger les outils inutiles pour le travail en cours.

16 LE GROS OUTILLAGE Enclume. Outil sur lequel le forgeron travaille le métal chauffé pour lui donner la forme demandée. Bloc en acier coulé (les moins chers) ou en acier forgé (de meilleure qualité). Poids de 50 à 200 kg. (plus de 300 kg. en grosse forge mécanique). La masse est formée par le corps dont les pieds assurent l assise. L enclume est fixée sur un billot, le plus souvent en bois (orme) par des crampons, Mais il existe des billots métalliques dont les bords d arrêt, empêchent le déplacement de l enclume (cuir intermédiaire). L enclume utilisée par le réparateur est dite «serrurier» ses bigornes sont très effilées. L enclume dite «maréchale» possède une bigorne carrée, dont la largeur est celle de la table. Bigorne. - Enclume de petites dimensions dont le corps est terminé par une queue carrée. Les bigornes sont très effilées. Outil très utile pour façonner des petites pièces forgées ou de tôlerie. Etau à chaud. - Est construit comme l étau à pied d ajusteur, mais il est plus robuste, beaucoup plus lourd. Il est fixé sur un pied (ou billot) scellé très solidement de telle sorte que le forgeron ait l aisance de ses mouvements pour manœuvrer des pièces encombrantes et puisse exercer sur l étau des efforts très énergiques. Tes. - Certaines enclumes sont munies d un refouloir. Le tas à refouler est une masse en fonte(fer ou acier) le plus souvent enfoncée, au ras du sol, au pied du billot de l enclume. Le tas à dresser est un tas creux, utilisé pour le dressage à froid. Le tas d enclume est un petit tas de forme variable dont, la queue s ajuste dans l oeilde,l enclume. Tréteau et servante. - Accessoires utilisés pour supporter des pièces longues ou lourdes. Le déplacement de ces pièces est faciiité quand elles portent sur des tréteaux ou servantes à rouleau. L OUTILLAGE A MAIN Marteaux. Le marteau de forge, possède les mêmes caractéristiques que le marteau de l ajusteur, mais il est plus lourd (1 à 2 kg.). Il se fait à panne en long ou en travers. Le marteau à devant ou masse. utilisé par l aide du forgeron ou frappeur, de même forme, pèse de 4 à 8 kg; La longueur du manche varie entre 0 m. 80 et 1 m. Ce manche en bois très dur mais souple (cornouiller,cormier )doit être exempt de nœuds. Comme pour le marteau d ajusteur, l assemblage du manche dans l œil est assuré par un coin en acier. Outils de percussion. - Outils devant recevoir le choc du marteau à devant. Ils sont en acier, mais seule la partie utile. ou travaillante (en contact avec le mé-tal chaud), doit être trempée. Leur tête, de forme octogonale, refoule sous les coups de la masse et forme de grosses bavures qu il faut supprimer; la protection brutale d éclats sous le choc du marteau pouvant entraîner des blessures. Le manche, en cornouiller non écorcé, long de 0 m. 75, est ajusté sans coin. On distingue : - Les chasses carrées. - Pour épaulements, finition d angles droits. - Les chasses à parer. - Pour finition des surfaces planes déformées par le marteau à main. - Les chasses à bord rond: - Même usage sur pièces à congé. - Les dégorgeoirs.- Désignés par le diamètre de leur partie utile, sont utilisés pour les épaulements, l étirage. Un ensemble se compose de l outil emmanché et de l outil d enclume. - Les poinçons. - Servent à percer le métal à chaud, opération terminée sur la perçoire. - Les étampes (outil emmanché, outil d enclume) sont dites rondes pour finition de pièces cylindriques, ou en V à 90 pour pièces de section carrée. - Les tranches à froid. - Pour couper les fers à froid; angle d affûtage 60 - Les tranches à chaud. Plus effilées, leur taillant est affûtè sans arêtes: AngIe 30 à 40 - Les gouges sont des tranches à chaud dont le taillant creux permet de faire des arrondis. - Les tranchets,sont à froid ou à chaud. Outils non emmanchés fixés par une queuedans l œil de l enclume.

17 Tenailles. Appareil servant à maintenir des pièces courtes. Elles ne doivent pas chauffer en même temps que la pièce (usure rapide des mors). Refroidir fréquem-ment pour éviter les déformations. La forme des mors doit être choisie pour que le métal ne puisse s échapper sous le choc du marteau (danger de blessure au visage). Les tenailles les plus courantes sont: Ordinaires. A mors rapprochés avec rainure axiale (pour petites sections). Goulues. A mors plus ou moins écartés (pour moyennes et grosses sections). A coquille. A mors emboîtant des sections carrées ou rondes. A T. -- A mors emboîtant des sections plates. Ecrevisses. -- A mors dont la forme permet le maintien de pièces à travailler en bout. Anneau. -- Permet d assurer le serrage de la tenaille sur la pièce à forger; le maniement est plus facile. A employer pour travaux d une certaine importance. Griffe. - Outil permettant de redresser, cintrer, former le métal, avec l aide du griffon (que l on fixe sur l œil de l enclume ou dans l étau).. Le réparateur peut également employer des griffes à dégauchir. Elles doivent être appropriées à la grosseur de la pièce à travailler pour ne pas marquer le métal. Outils de mesure et de traçage. -- Le forgeron utilise, pour tracer, les mêmes outils que l ajusteur. Il s en sert pour porter des repères sur la pièce à travailler. Dans certains cas, il doit reproduire sur une tôle (ou table de traçage) les formes à obtenir; il ne pourrait les contrôler sur le dessin sans brûler celui-ci. Le mètre doit être métallique. L équerre est munie d une poignée qui facilite son maniement. Les cotes sont contrôlées par le forgeron. en utilisant: - le mètre (il tient compte de l allongement du métal chaud); - le compas à pointes sèches (distance entre deux coups de pointeau repères) ; - le compas d épaisseur; - le pied à coulisse (à manier avec précaution); - la Jauge. Bande de métal munie d une poignée, et portant des encoches numérotées aux dimensions courantes. Il suffit de présenter l entaille de cote correspondante sur le métal façonné, pour effectuer une vérification rapide. LE FEU Allumage. - Dégager la tuyère, enlever le mâchefer restant des opérations précédentes. Dans l entonnoir ainsi formé, le forgeron placera un chiffon gras enflammé (ou du papier, des copeaux). Mettre en marche la soufflerie (débit modéré); recouvrir le chiffon de fraisil ou coke (charbon partiellement consumé) Augmenter l arrivée d air et border le feu de charbon frais, pour limiter l extension du foyer. La quantité de charbon à employer dépend de la masse ou du nombre de pièces à chauffer, de leur nature. Ex. un outil en acier fondu n est pas recouvert; l œil peut contrôler sa température. Par contre, une pièce en acier doux chauffera plus vite dans un feu en forme de four. Entretien du feu. - Pour enlever le mâchefer, le forgeron arrête le vent; le mâchefer descend sur la tuyère et se solidifie; Il l enlève alors d un seul bloc au moyen du pique-feu. Avec le tisonnier il ramène le fraisil au centre du foyer, borde (et recouvre s il le juge utile) de charbon frais. Il vérifie constamment que l épaisseur de, charbon en combustion, entre sa pièce et la tuyère, est suffisante (12 à 15 cm.). L apprenti doit comprendre facilement que son métal ne peut chauffer s il est exposé directement à l air qui sort de la tuyère. De plus, il s enrobe de mâchefer difficile à éliminer. Le charbon doit être de bonne qualité. propre, exempt de soufre et de phosphore (qui altèrent certains aciers). Le lavage préalable le débarrasse de nombreuses impuretés.les déchets de l atelier ne doivent jamais être déposés sur la forge.

18 COMMENT FORGER Position devant l enclume: Le forgeron se place de façon à avoir à sa gauche la bigorne ronde de l enclume, le pied droit est près du billot, le pied gauche en arrière, le corps et la tête légèrement inclinés pour mieux surveiller le travail. Les tenailles tenues, de la main gauche, perpendiculairement à l axe longitudinal de l enclume. La main droite manœuvre le marteau (rotation du poignet augmentant la puissance de frappe) dans un plan se rapprochant de l axe longitudinal de l enclume. Précautions. - L enclume doit être propre; après chaque chaude, enlever les battitures (couches superficielles oxydées que le choc du marteau a détachées de la pièce). Avant le martelage, le métal chaud doit être nettoyé, sinon les crasses et les particules d oxyde pénètrent dans la masse, tombent au refroidissement et laissent un trou que l usinage ne peut pas toujours supprimer. Eviter de frapper violemment sur l enclume (faux coup) : le marteau peut rebondir et frapper le visage; - l enclume et le marteau sont en acier trempé; sous le choc de leur brutale rencontre, un éclat peut se détacher du marteau et blesser gravement dans un rayon de plusieurs mètres. Les projections de métal qui tombent au pied de l enclume, peuvent brûler les pieds mal protégés de l ouvrier. (Eviter les espadrilles). Choix et tenue des outils. Tenailles. - Le débutant devant forger un fer rond de 166 mm. prendra une tenaille à coquille, légère. Les mors s opposeront à l échappement de la pièce, sous un coup de marteau en porte à faux. Dans la main, la tenaille doit être en équilibre, refroidir fréquemment pour éviter: 1 La fatigue inutile du bras gauche; 2 Une position incommode quand la main glisse petit à petit à l extrémité des branches. Marteau. - D un poids correspondant à la masse du métal à travailler. L apprenti débutant s appliquera à reconnaître les points de frappe, à les choisir, condition indispensable pour corriger les déformations de ses exercices.

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20 MATIERES PREMIERES Pour des réalisation de ferronnerie d art, on utilisera du fer doux disponible en différentes formes (plats, carrés ou parallipédiques, ronds...) et différentes dimensions dans des magasins spécialisés ou grandes surfaces de bricolage. Pour les outils, on utilisera de l acier classé en fonction de sa teneur en carbone exprimée en % Pour les couteaux par exemple: XC65 ou XC75 (0,75% de carbone) On peut aussi utiliser des métaux de récupération: Acier doux: Sources communes d acier doux. Feuille: Carrosserie ou châssis de voiture ou de camion, Bidon d huile Barres: Tiges à béton des chantiers de construction (ceux-ci ont une teneur en carbone légèrement plus élevés que levéritable acier doux). Quelques utilisations pour l acier doux : - Ferronnerie d art - Feuilles: Houe, Charnières - Barres: pinces, Poignées de tranchet, Faucille (à dents) Propriétés fonctionnelles: L acier doux devra être forgé au jaune brillant. Il peut être un peu plié ou coupé à froid. Il ne peut pas être trempé pour la plupart des outils de coupe. Il est plus facile à souder au feu que les autres aciers. Acier moyennement carboné (ou carburé) : La plupart des véhicules et machines sont faits d acier moyennement carboné. Par exemple : Demi arbre de véhicule Disque de lame de charrue Exemples d utilisation : Marteaux, Burins à chaud, Houes Poinçons Propriétés fonctionnelles: Ces aciers doivent être forgés un peu moins chaud que l acier doux, mais toujours à une couleur jaune. Le carbone supplémentaire dans le métal permet de le tremper dans une certaine mesure. Avec de la pratique, il peut être soudé au feu. Acier hautement carboné Sources principales : Ressort hélicoïdal de suspension Bare de torsion (utilisés en suspension avant de certaines voitures). Lame de ressort de véhicule Barre anti-roulis (barre reliant les deux bras de suspension avant sur certaines voitures). Scie à bois Grande lame de scie à métaux Exemples d utilisation : Burins à froid, Tranchet à froid, Couteaux, ciseaux à bois, Lame de planes, Haches, Herminettes, Outils à découper le bois et la pierre Propriétés fonctionnelles Cet acier est le plus utile de tous à la forge. Tous les outils et instruments devant avoir un tranchant durable doivent être fait en acier hautement carboné. Il doit être forgé à une chaleur orange/jaune, moins chaud que l acier moyennement carboné. Il peut être trempé. Il ne se soude pas facilement au feu, mais peut, avec de la pratique être soudé avec des aciers contenant peu de carbone.

21 Gestion du feu TECHNIQUES DE FORGE S occuper du feu est une part importante du travail du forgeron. Il est important à l allumage de s assurer que le combustible est correctement allumé où l air rentre. Quand le combustible se consume, des scories s accumulent au niveau de la tuyère (le mâchefer). Si le mâchefer n est pas enlevé, il obstrue le souffle d air et commence à se coller au métal en chauffe. Le mâchefer peut facilement être sorti en laissant le feu se refroidir légèrement (le mâchefer se durci en une loupe) et en l extrayant à l aide d un tisonnier. Le mâchefer doit être enlevé complètement du foyer, sinon il peut se mélanger avec du combustible frais et se retrouver dans le haut ou l arrière du feu. Essayez de maintenir le feu juste de la bonne taille pour le travail que vous réalisez. Si le feu est trop large, il gaspille du combustible et est difficile à contrôler. S il est trop petit, il sera difficile d atteindre la bonne température de travail. Températures de travail Être capable d identifier la bonne température pour travailler le métal est l une des qualifications les plus importantes du forgeron. Des aciers différents doivent être forgés à des températures différentes; la règle est que moins l acier contient de carbone, plus il peut être travaillé chaud. En regardant la couleur et l éclat du métal, vous pouvez voir quand l acier a atteint la température correcte de travail. La température doit être estimée à l ombre, car il est très difficile de voir la température du métal au soleil. Plus le métal est chaud, plus il est facile à forger; cependant, s il est surchauffé, il brûlera dans le feu. Un métal avec un taux de carbone élevé commencera à brûler à une plus basse température qu un acier doux. Forger un acier très carboné à la mauvaise température provoque des tensions internes qui affaiblissent le métal (écrouissage par exemple). La liste ci-dessous indique les couleurs et brillance et à quels processus ils servent : Rouge sombre naissant Rouge sombre Rouge cerise naissant Rouge cerise (orange/jaune) Rouge cerise clair Jaune Jaune clair Blanc soudant Blanc éblouissant Techniques de base 500 C 650 C 800 C 900 C 950 C 1000 C 1100 C 1200 C 1300 C Trempe ou recuit d acier fortement carboné Trempe ou recuit d acier moyennement carboné Forge de aciers fortement carbonnés Forge des aciers moyennement carbonnés Forge des aciers doux Soudure La compétence pour former le métal implique un certain nombre de processus. Les techniques principales sont entre autres: o Plier o Amincir o Couper o Refouler o Percer et former des trous o Souder au feu Ces techniques doivent être maîtrisées avant que vous ne tentiez de faire des objets.

22 Plier et cintrer Des courbures mineures peuvent être faites en acier doux à froid; néanmoins, il est plus facile de plier à température normale de forge. Si vous pliez le métal au dessus du bord de l enclume, restez dans le secteur arrondi, ou la surface du métal sera marquée. Frappez toujours le métal légèrement en avant de la courbure voulue. Evitez d écraser le métal entre le marteau et le coin de l enclume car cela l amincira plutôt que la plier. Le métal tend à se plier où il est le plus chaud, assurez vous de chauffer la barre exactement au bon endroit. Amincir Réduire l épaisseur de l acier en forgeant est appelé amincir. La technique peut être employée pour faire une extrémité aigue sur la pièce d acier, comme la lame d une hache. Il peut également être employé pour amincir une partie d une barre Lorsque vous forgez, les angles entre la table du marteau, le métal et l enclume décideront de la forme du travail fini. Différentes façons d amincir sont illustrées cicontre. frappe à deux

23 Une pointe plate de burin Avec le métal et le marteau tenus comme montré, commencez à forger la pointe. D abord, travaillez le bout de la barre jusqu à la bonne section. Quand vous faites ceci, l extrémité s écarte comme une queue de poisson. Dès que cela commence à se produire, posez la pièce sur la tranche, et raplatissez les bords. Travaillez enfin le long de la barre jusqu à avoir la bonne longueur de pointe. Une pointe carrée En tenant le métal et le marteau comme montré, travaillez tout d abord sur l extrémité. Tournez le métal d un quart de tour tous les quelques coups jusqu à ce que la pointe soit de taille correcte. Continuez ensuite le long de la barre jusqu à ce que le cône atteigne la longueur correcte. Si la pointe est inégale, elle peut être aplatie avec un ou deux légers coups de marteau. Une pointe ronde Forger une pointe carrée comme décrit ci-dessus. Puis, travaillant de la barre vers la pointe, forger les angles. Plus vous approchez de la pointe, plus les coups de marteau doivent être doux. Finalement, retirer les angles restants avec de petits coups de marteau.

24 Forger un carré parallèle En tenant le métal à plat sur l enclume, forger la pièce, en tenant la face du marteau parallèle à l enclume. Comme pour la pointe carrée, tourner le métal d un quart de tour tous les quelques coups. Forger un cylindre Commencez par forger un carré parallèle, comme indiqué ci-dessus. Ensuite, cassez les quatre arêtes carrées et finissez en rond par de petits coups de marteau. Les méthodes ci-dessous sont adaptées à de petites sections d acier. Lorsqu on travaille des morceaux plus lourds, beaucoup d heures et d efforts peuvent être gagnés en employant des méthodes légèrement différentes. Etirage avec la panne du marteau Le métal est aminci premièrement par des coups espacés régulièrement avec la panne du marteau au lieu de la face. Les marques laissées par la panne sont alors aplaties en utilisant la face du marteau. La forme de la panne serre le métal beaucoup plus rapidement qu avec la face. Cette méthode vous donne également le contrôle de la direction dans laquelle le métal est poussé, vous permettant d allonger la barre, ou de pousser le métal sur les côtés.

25 Utiliser la bigorne de l enclume La bigorne de l enclume peut également être employée pour accélérer et contrôler le processus de forge du métal. La courbe du dessus de la bigorne agit plus ou moins de la même façon que la panne d un marteau. En travaillant une pièce en travers de la bigorne, elle s allonge rapidement sans devenir trop large. En travaillant le long de la bigorne, elle s élargira par les côtés sans trop s allonger. Utiliser l angle rond de l enclume Utiliser un angle arrondi de l enclume amincira le métal très rapidement. La barre à forger est tenue avec un angle et martelée exactement à l endroit de l arête. Entre chaque coup, la barre doit être déplacée légèrement, pour éviter de rendre le métal trop mince dans une zone. Comme pour les deux méthodes précédentes, les bosselures faites à la surface doivent être enlevées en utilisant la face du marteau sur la partie plate de l enclume. Couper L acier doux de petite section peut être coupé à froid avec un burin ou un tranchet à froid. Les aciers carbonés et l acier doux de grosse section doivent toujours être coupés à chaud. Ceci est fait avec un burin ou un tranchet à chaud. Couper à froid Pour couper de petites section avec un burin ou un tranchet, le métal est tout d abord coupé d un quart d un côté, alors retourné, il est coupé d un quart de l autre côté, et finalement cassé en pliant en va et vient au dessus du bord de l enclume. Les forgerons travaillant seulement avec de l acier de ressort n utiliseront pas cette technique. Les outils à couper à froid ne doivent jamais être utilisés sur du métal chaud car ceci abîmerait leur trempe.

26 Couper à chaud Couper le métal chaud rapidement et efficacement est la compétence la plus importante d un forgeron. La coupe est faite avec un burin ou un tranchet à chaud. Travailler avec un aide et employer le tranchet est la méthode la plus rapide. Avec les deux outils, le système de coupe suit les mêmes règles. Si une coupe précise est exigée, le métal est porté au rouge et marqué avec le burin ou le tranchet. Le métal est alors porté à sa température normale de travail et coupé presque complètement. Tous les quelques coups, le tranchant de l outil devra être refroidi ou il s endommagera. Les coups finaux devront être faits soit au dessus du bord de l enclume soit sur une plaque d acier doux. Couper le métal entièrement sur la table de l enclume endommage l enclume et l outil. Lorsque l on coupe plusieurs pièces, du temps et du combustible peuvent être gagnés en coupant chaque morceau seulement à moitié. Il est alors plié suivant la ligne de coupe et laissé à refroidir. Lorsque le métal est froid, quelques coups de marteau le rompront suivant la ligne de coupe. Les outils de coupe à chaud ne doivent jamais être utilisés sur le métal froid car ils ne sont pas trempés. Si ils sont utilisés sur du métal froid, le tranchant de la lame sera corrompu.

27 Refouler A ugmenter l épaisseur du métal s appelle refouler. Pendant ce processus, le métal a souvent tendance à se plier. Dès que cela se produit, le refoulement doit être arrêté, et la barre redressée. Il y a moins de chance de courbure si les parties non travaillées restent froides et si le bout de la barre est complètement à niveau avant le début du processus. Le refoulé peut être fait de plusieurs manières. Deux d entre elles sont décrites ci-dessous. Dans les deux cas le travail devra être effectué à la chaleur proche de la température de soudure. Méthode 1 Tenez la pièce verticalement, l extrémité chauffée posée sur l enclume. Frapper le dessus de la pièce, comme pour le rentrer dans l enclume. Méthode 2 Cette méthode est uniquement adaptée aux grandes pièces. Tenir la pièce verticalement, l extrémité chauffée, sur un tas posé au sol ou une enclume. Faire rebondir la pièce sur l enclume ou le tas, et le poids de la barre fera s épaissir l extrémité dans toutes les directions.

28 Il est parfois nécessaire de refouler une pièce loin de son extrémité. Pour ce faire, utiliser les deux méthodes décrites ci-dessus, mais soyez sûr de ne chauffer que la zone à travailler. Si vous travaillez avec un acier doux, les autres parties de la barre peuvent être refroidies à l eau. Poinçonner, ou percer Poinçonner est un processus très utile; il permet au forgeron de faire des trous de différentes formes et tailles. Une partie du métal est refoulée dans la zone autour du trou, laissant l objet plus solide que si le trou avait été foré. Pour percer un trou, chauffer le métal à la température de forgeage. Placer le poinçon sur le métal, en travaillant sur la partie plate de l enclume. Tous les quelques coups, refroidir le poinçon pour l empêcher de surchauffer et de perdre sa trempe et sa forme. Quand le poinçon a presque traversé, retourner la pièce, le poinçon aura laissé une marque de ce côté. Déplacez rapidement l objet de sorte que la marque soit au-dessus de l oeil de l enclume, et faites traverser le poinçon. La zone épaissie autour du trou doit être contre forgée et aplatie à nouveau.

29 CINTRAGE (œil roulé) But. Apprendre à cintrer (calculer les longueurs nécessaires pour le façonnage d une pièce courbe. Conseils d exécution. 1 Pointer un repère (a) limitant l œil sur la barre de fer rond (craie ou pointeau). La longueur à cintrer est le diamètre moyen AB X 3,14 (fibre neutre soit 40 x 3,14 = 125,6. 2 Chauffer puis plier sur la table de l enclume, en plaçant le repère (a) au droit de l arête. 3 Enrouler sur la bigorne ronde en commençant par l extrémité de l œil. Cet exercice doit être exécuté rapidement. Torsades Les torsade sont très utilisées en ferronnerie d art. Cette opération doit être réalisée rapidement et bien à chaud. Préparer les outils et le poste de travail pour ne pas perdre de temps lors de l opération. - Chauffer la pièce de façon uniforme sur la partie à torsader. - Serrer une extrémité de la pièce dans un étau. - A l aide d une clef à mollette ou mieux, d un tourne à gauche, tourner l extrémité libre jusqu à obtenir l effet désiré. - En même temps, brosser la torsade pour éliminer les plaques de calamine. Si necessaire, réchauffer la pièce et recommencer l opération pour reserrer la torsade. (bien veiller à tourner dans le même sens) On peut désirer réaliser des changement de sens : Dans ce cas, bien refroidir la partie déja torsadée pour ne pas la déformer. torque d inspiration celtique

30 TRACES GÉOMÉTRIQUES Les motifs courbes sont très utilisés en ferronnerie. Voici les méthodes de tracé simple des principaux d entre eux. SPIRALE A DEUX CENTRES Ces centres sont pris sur la même ligne et s utilisent alternativement comme indiqué par les chiffres. De 1 avec 1-2 comme rayon, tracez la courbe 2-1 bis. De 2 avec 2-1bis comme rayon, tracez 1bis-2 bis et ainsi de suite. SPIRALE A QUATRE CENTRES Les courbes successives partant des centres l, 2, 3 et 4 se raccordent sur les prolongements des côtés du carré. De 1 avec 1-4 comme rayon, tracez la courbe 4-5. De 2 avec 2-5 comme rayon, vous tracez 2-6, etc... RACCORD DE COURBES a) Courbe convexe De A avec A-O pour rayon, tracez l arc 1. De B avec B-O pour rayon, tracez l arc 2. Des points 1 et 2 tracez les arcs en 3, De 3 tracez 1-2. b) Courbe concave De 4 avec 4-O pour rayon, tracez l arc 5. De son intersection avec la circonférence, avec O-6 comme rayon, tracez les arcs 7 et 8. De 7, avec le même rayon, croisez l arc 8. De ce point, tracez la courbe 5-7. ANSE DE PANIER Divisez en trois la droite 1-2 qui est l ouverture de l anse, De 3, puis de 4, avec 3-1 comme rayon, tracez les arcs se coupant en 5. De ce point, tirez les droites et De 3, puis de 4, sans changer le rayon précédent, tracez 1-6 et 2-7. De 5, avec 5-6 comme rayon, tracez la courbe 5-7.

31 Volutes La spirale est une courbe qui tourne autour de son point de départ tout en s en écartant régulièrement, à la manière de la courbe visible sur une coquille d escargot. Cette courbe joue un grand rôle en serrurerie d art où elle est très utilisée, entres autres comme début de volute. Son tracé peut être obtenu par des procédés graphiques (règle et compas) (voir page précédente), mais les meilleures spires, les plus gracieuses, sont celles qui sont tracées sans le secours d instruments; elles ont en outre l avantage de pouvoir s adapter plus facilement dans un cadre déterminé, tandis que les premières ont une forme définie d avance qui dépend du tracé choisi. Spirale développante du cercle. Cette spirale est une courbe de même nature que les précédentes, mais qui a pour base une circonférence dont on peut considérer tous les points comme étant successivement des centres. De cette observation, on déduit un tracé pratique obtenu au cordeau. Faire choix d une chute de fer rond de diamètre approprié. -Enrouler à la base un cordeau de très faible épaisseur (ficelle ou fil solide) et faire une boucle au départ. Placer la barre au centre de la courbe; la maintenir en place d une main, engager une pointe ou un crayon dans la boucle et dérouler le cordeau tendu qui, en s écartant progressivement, permet à la pointe de tracer la spirale.. Nota. - Pour figurer l épaisseur, enrouler à nouveau le cordeau et prendre un départ approprié pour passer à distance voulue. Tracé des têtes et des naissances de courbes. Les spirales précédentes sont supposées avoir une naissance droite. Deux autres formes courantes employées sont l adouci et la tête ronde. Il a été dit que la tête ronde devait avoir un diamètre égal au double de l épaisseur du fer employé. Le centre de cette tête et du rayon de l adouci sont variables suivant que l on veut donner à la spirale l aspect d une courbe assez ouverte ou plutôt fermée et plus agréable: observer ces dispositions sur les figures. Naissance droite Naissance à tête ronde Naissance en adouci courbe ouverte courbe fermée

32 Réalisation d une volute à noyau Lors de la réalisation de plusieurs pièces identiques, on fabrique un gabarit ou fauxrouleau. Pliage de l extrémité de la barre Ecrasement et arrondi de la partie pliée pour créer le noyau. Enroulement de la volute sur le faux-rouleau à l aide de griffes. Formage de la volute au marteau sur la bigorne. Une grande volute est réalisée en plusieurs passes. Redressement de la volute. Refroidissement à l eau pour figer la forme.

33 La trempe La trempe ou trempage est un traitement thermique des métaux. Cette opération consiste à plonger un matériau chaud dans un fluide plus froid afin de le doter de propriétés nouvelles. Elle est réalisée immédiatement après l'opération dite de mise en solution. Principe : La trempe est un refroidissement brutal de la pièce qui a pour objectif de figer la structure obtenue lors de la mise en solution. Dans le cas de l'acier, ce refroidissement s'accompagne d'une transformation allotropique. La séquence de traitement est la suivante : - la mise en solution : - chauffage de la pièce jusqu'à une température suffisante (pour les aciers > 800 C), - maintien en température pour homogénéisation et mise en solution solide des éléments d'alliage, - la trempe : refroidissement rapide dans le fluide de refroidissement. Fréquemment par extension de langage, la séquence «mise en solution + trempe» est appelée «trempe». Les fluides utilisés par ordre de vitesse de refroidissement (de la plus élevée à la plus faible) sont - l'eau, - l'eau additivée (polymère par exemple), - l'huile, - le brouillard d'eau, - les gaz (air, argon, azote, etc.). La trempe peut être suivie d'un revenu, qui est un réchauffement de la pièce. Elle permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques définitives de la pièces soit en les augmentant (cas des alliages sans transformation allotropique), soit en les diminuant et obtenir un alliage moins fragile (cas des alliages avec transformation allotropique). Trempe de l acier (avec transformation allotropique) Le mécanisme de la trempe est lié aux changements de formes cristallines d'un métal en fonction de la température (les variétés allotropiques). Un métal est une forme cristalline au sein de laquelle des atomes peuvent venir se loger (composé intersticiel). La solubilité de ces atomes dans la maille dépend de la structure de celle-ci et de sa taille. Une variation brusque de température d'un cristal dans lequel est dissout une grande quantité d'un composant passant d'une maille munie de sites importants vers une maille plus serrée emprisonne ces atomes dans le nouveau cristal et crée une contrainte dans celle-ci. Dans le cas de l'acier, le composant obtenu après trempe s'appelle la martensite(1). Sa dureté correspond à l'allongement de la zone d'élasticité (courbe d'allongement en fonction de l'effort) en lieu et place la zone de déformation plastique. La résistance élastique s'approche de la résistance à la rupture. La déformation plastique d'un métal résulte du déplacement des défauts du cristal le composant (les dislocations). Les dislocations se propagent (dans les directions principales résultant du croisement des plans de compacité maximale) plus difficilement dans un cristal dont la maille est contrainte. D'autres effets permettent de durcir un métal : la présence de beaucoup de dislocations (elles se gènent mutuellement dans leurs déplacements) ou écrouissage, le durcissement structural ou la substitution d'atomes d'un cristal par d'autres (autres manières que la trempe d'introduire des composants dans un cristal). (1) Martensite : constituant dur des aciers qui cristallise en plaquettes ou en aiguilles et qui prend naissance par refroidissement brutal de l austénite qui empêche une diffusion du carbone dans le fer, la martensite est très dure mais très fragile.

34 Les paramètres principaux d'une trempe sont le taux de composants étrangers dissous dans le cristal, la vitesse de traversée de la zone de changement de variété allotropique ainsi que les proportions de certains additifs. Cette vitesse va déterminer quelle proportion de composant intrus va avoir le temps de migrer à l'extérieur du cristal sous l'effet des contraintes. Pour les aciers, la zone de températures de 600 à 800 C doit être franchie sans arrêt sinon une forme spécifique du métal pourrait se former. Si le passage de la zone de recristallisation est trop lent, celle-ci suit à l'intérieur de chaque grain des lignes de potentiels énergétiques correspondant à des plans dont la géométrie est liée aux plans de compacité maximale du cristal, créant des particularités non anisotropes et rendant la pièce fragile (structure de Widmanstätten). Le revenu est un Traitement thermique effectué sur les pièces métalliques afin de leurs donner leurs caractéristiques mécaniques et parfois de résistance à la corrosion d'usage. Ce traitement est effectué après la trempe. Le revenu s'effectue en deux étapes : - Réchauffage de la pièce jusqu'à une certaine couleur (entre jaune paille et gorge de pigeon suivant la trempe désirée, pour les aciers) ou revenu ; - Refroidissement définitif. Pour les pièces en acier, le revenu est un réchauffement de la pièce qui permet d'adoucir les effets de la trempe. Il permet d'éliminer des composés fragilisant les pièces (les carbures) aux joints de grains sans altérer trop les effets fondamentaux de la trempe (perte de 1 ou 2 degrés de dureté). Il permet aussi à certaines contraintes trop importantes de se libérer (en favorisant les migrations atomiques par élévation de la température). Ces contraintes et ces carbures pourraient devenir autant d'amorces de rupture fragile. Le revenu s'effectue à une température inférieure à celle de la trempe ou du recuit. Mode Opératoire: L acier doit chauffer lentement. La couleur orange ne doit pas être dépassée : chauffé au blanc, l acier se carbure et sa consistance devient comparable à celle de la fonte. Il se brise alors au moindre choc. On dit qu il est brulé et ne peux être utilisé. - Chauffer lentement l outil au rouge cerise. - Le brosser à l aide d une brosse métallique. - Tremper l extrémité dans de l eau froide et propre. - La chaleur du corps de l outil se communique, et on observe une montée de couleur vers la pointe. Lorsque le métal atteint le violet (gorge de pigeon) refroidir brutalement la pièce en la plongeant dans l eau froide. Le revenu est terminé et et la dureté de la trempe sera atténuée. En fonction de la dureté désirée, le revenu se fait entre le jaune paille (trempe dure) et le violet (trempe plus douce) Tableau des couleurs usuelles de revenu Jaune paille Jaune foncé Gorge pigeon Violet foncé Bleu foncé 220 C 240 C 260 C 270 C 300 C Page 34

35 Soudure au feu Certains types d acier peuvent être soudés ensembles en n utilisant rien d autre que la chaleur du feu et la pression du coup de marteau. Les soudures suivantes peuvent être réalisées avec succès : o Acier doux avec de l acier doux, par exemple pour les maillons de chaîne. o Acier très ou moyennement carboné avec de l acier doux, par exemple pour surfacer la face d un marteau. Souder ensemble deux pièces d acier fortement carboné n est pas pratique à la forge. Une bonne soudure peut être réalisée si une attention particulière est portée à ce qui suit : Le métal La soudure à la forge exige une préparation soigneuse. Dans tous les cas, prendre soin à la préparation aidera à s assurer du succès de la soudure. Le feu Le feu devra être exempt de scories et mâchefer, et la tuyère couverte de charbon frais. Tandis que le métal est porté à température de soudure. Température Reconnaître le moment exact où retirer le métal du feu pour une soudure demande de l expérience. Trop tôt, et le métal ne collera pas. Trop tard et le métal peut brûler et tout simplement partir en morceaux. A la température de soudure, indépendamment de l éclat ou de la couleur, il y a habituellement deux signes à observer. Tout d abord le métal commence à suer. A ce moment, il semble humide à sa surface. L autre signe est de petites étincelles blanches qui commencent à sauter quand le métal est retiré du foyer. Vitesse et technique Quand le métal atteint la température de soudure, il ne faut pas perdre un instant entre le moment de le retirer du feu et l exécution de la soudure. Le métal doit dans le même mouvement être retiré du feu, secoué pour enlever toutes les scories, et placé en position sur l enclume. La soudure est alors réalisée en utilisant des coups rapides, doucement tout d abord, puis plus fortement une fois que le métal a collé. Dès que le dessus de la jointure a été soudé, retourner la pièce et travailler sur l autre côté. L entière opération doit être accomplie avec le métal à température de soudure. Chauffer le métal Les pièces à souder doivent atteindre la température de soudure en même temps. Elles doivent être placée à distance de la zone oxydante d entrée de l air. Les grosses pièces doivent être chauffées lentement pour empêcher la surface d être trop chaude avant que l intérieur ait atteint la température de soudure. Les faces à souder devront être tenues vers le bas pour empêcher les scories de se mettre sur les parties de métal devant être soudées. Page 35

36 Exécution d une soudure Si vous n avez jamais soudé, l exercice suivant est un bon entraînement. Rappelez vous de commencer avec un feu propre. Prenez une barre d acier, et aplatissez l extrémité comme montré sur le schéma, puis former l extrémité en biseau. Couper à moitié le métal au milieu de la partie aplatie Replier en deux le métal suivant la ligne de coupe. Mettre le métal dans le feu, avec la partie pliée au centre du feu, au dessus du point d entrée d air. Assurez vous que le métal est bien recouvert de charbon, et portez le à température de soudure. Sortir la pièce du feu. Saupoudrer de borax ou de sable de fontainebleau à l emplacement de la soudure pour la protéger de l oxydation, et la remettre au feu. Dès la chaleur de soudure atteinte, posez la pièce sur l enclume et soudez les sections pliées par des coups rapides et fermes. Page 36

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