G. FORGEAGE. Forgeage G Introduction

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1 Forgeage G 1 G. FORGEAGE 1. Introduction Le but de ce TP est l'initiation et l'apprentissage à un des plus anciens procédés de mise en forme des métaux et alliages métalliques (env ans avant J.-C.). L'objectif de la mise en forme des métaux est de confectionner une pièce métallique de dimensions respectant les tolérances de fonctionnement. Les principaux procédés de mise en forme des métaux sont apparus progressivement, donnant naissance par la suite à diverses variantes, parfois très nombreuses. Les formes modernes des divers procédés se sont mis en place récemment pour assurer la production en grande série de pièces à faible coût. La figure 1 résume les principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques et l'historique.

2 G 2 Forgeage Fig. 1 Principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques et l'historique 2. Forgeage Dans son sens général, le forgeage est l'opération de mise en forme d'un métal malléable. Cette opération est basée sur une propriété fondamentale des alliages métalliques solides : la plasticité. La plasticité des alliages métalliques solides correspond à leur aptitude à présenter, après application d'un état de contrainte, une déformation permanente laissant invariant en première approximation leur volume. Le paramètre fondamental du forgeage est la température de forgeage qui doit être supérieure à 0.5T f (T f = température de fusion en K). Quelques valeurs de T forgeage : - aciers bas carbone = 1250 C - aciers teneur en C >0.30% C = 1200 C - aciers alliés et inox. martensitiques = 1220 C Un autre paramètre important est la force de mise en forme qui est fonction aussi de T f. Ces paramètres dépendent des caractéristiques et de la qualité du produit à fabriquer, par exemple : tolérances dimensionnelles, état de surface, structure métallurgique etc. Nous pouvons voir schématiquement (Fig. 2) les divers phénomènes apparaissant lors de la mise en forme par déformation plastique.

3 Forgeage G 3 Fig. 2 Mise en forme par déformation plastique (ex. laminage) Dans ce schéma, l'écoulement de matière est représenté par le champ de vitesse u et par le champ de température qui vont déterminer le champ de contraintes se développant dans le métal. Les champs de vitesse, de contrainte et de température vont nous aider à comprendre et à chiffrer, les forces et les énergies de mise en forme, la forme du produit etc. À titre d'information, nous illustrons une courbe de forgeabilité déterminée par des essais de forgeabilité sur des éprouvettes (Fig. 3), par exemple essai de traction rapide à chaud qui permet de simuler les conditions de forgeage en faisant varier les forces et les températures dans un même cycle. Ces courbes permettent de déterminer théoriquement les limites des intervalles de température de forgeage. Il ne faut pas oublier qu'en pratique, la forgeabilité du lingot est beaucoup plus complexe (Fig. 4).

4 G 4 Forgeage Fig. 3 Courbe de forgeabilité Fig. 4 Presse hydraulique de forgeage 3. Forgeage à la main Le forgeage à la main est un art qui nécessite un long et difficile apprentissage. Quelques illustrations de pièces forgées, voir Fig. 5 et Fig. 6 Fig. 5 - Quelques exemples de pièces forgées : a) coin b) anneau (maillon de chaîne) c) berceau de grille d) clavette à talon e) fer à cheval

5 Forgeage G 5 Fig. 6 Exemple de ferronnerie d'art L'équipement de base est constitué de : - feu de forge (Fig. 7) - enclume, sa table est trempée et est prolongée par deux appendices appelés bigornes (Fig. 8) - différents marteaux (Fig. 9) - différents pinces de forgeron (Fig. 10) - outils accessoires : poinçon etc. - instruments de mesure pour travaux de forgeage (Fig. 11) - habillement (tablier en cuir, chaussures, gants, lunettes etc.) Fig. 7 Feu de forge

6 G 6 Forgeage Fig. 8 Enclume Fig. 9 Différents marteaux Fig Différents pinces de forgeron

7 Forgeage G 7 Fig. 11 Instruments de mesure pour travaux de forgeage 4. Manipulation à effectuer Nous vous proposons de confectionner un outil (lame de couteau, coupe papier etc. selon votre créativité). Vous disposez d'une ébauche de section rectangulaire 5x20 mm, de longueur 220 mm, en acier inoxydable martensitique X46Cr13, W. Nr , acheté chez Hertsch & Cie AG, livré à l'état laminé à froid, recuit et décapé. La composition chimique est la suivante : en pour cent poids C = 0.45% Si = 0.50 % Mn = 0.50 % P = 0.04 % S = 0.01 % Cr = % Les propriétés mécaniques à l état recuit, selon catalogue, sont : R p0.2 = 510 [N/mm 2 ] R m = 730 [N/mm 2 ] A 50 = 16 [%] HB = [-]

8 G 8 Forgeage 4.1 Équipement mis à disposition - Duromètre Wolpert HV - Forge à charbon - Forge à gaz - Enclume - Marteaux - Différents pinces de forgeron - Tablier en cuir, gants, etc 4.2 Mode opératoire - Fig. 12 Schéma d'une opération de forgeage

9 Forgeage G 9 - Mesure de dureté HV 62.5 sur votre ébauche - Austénitiser votre ébauche, déterminer la température d'austénitisation selon la fiche technique - Mettre votre ébauche dans la forge à charbon ou à gaz, y laisser le temps nécessaire (voir Fig. 12) - À l'aide d'un marteau, forger votre ébauche sur l'enclume - Si nécessaire, répéter cette opération autant de fois, jusqu'à l'étape finale - Refroidir votre ébauche et faire des mesures de dureté - Réausténitiser votre pièce forgée en vue d'un refroidissement à l air - Faire des mesures de dureté pour contrôler si votre fabrication a réussi - Finition (meulage, affûtage, polissage etc.) Rédaction d'un rapport décrivant le forgeage que vous avez effectué et les résultats de mesures. 5. Bibliographie - Techniques de l'ingénieur, Procédés de mise en forme M F. Bendix, Technologie des Travaux sur Métaux, Éditions Spes-Lausanne et Eyrolles- Paris, 1968 Rédaction du document : Gökhan Karadeniz