Procédé de fabrication des métaux: 4 techniques

Cet article met en lumière les quatre principales techniques utilisées dans le processus de fabrication des métaux. Les techniques sont les suivantes: 1. Coulée 2. Formation 3. Usinage 4. Soudage.

Technique n ° 1. Coulée:

La coulée est peut-être la plus ancienne méthode connue pour donner des formes aux métaux et aux alliages. Lorsqu'il est jugé approprié, il s'agit du chemin le plus court entre le minerai et le produit final et généralement le plus économique. De nos jours, des techniques ont été développées pour couler la quasi-totalité des métaux et de leurs alliages, mais certains matériaux spécifiques présentent des propriétés de moulage très supérieures, par exemple la fonte grise.

La capacité de coulée d'un matériau dépend d'un certain nombre de facteurs, à savoir la fluidité, le retrait, la porosité, les caractéristiques de contrainte et de ségrégation. L'indice de moulabilité d'un matériau est élevé s'il est caractérisé par une fluidité élevée, un faible retrait, une faible affinité pour les gaz absorbants, de faibles contraintes et une résistance uniforme.

Ces caractéristiques se rencontrent principalement dans les métaux purs et les eutectiques qui ont, du moins théoriquement, un point de fusion défini. Cependant, les métaux purs ont généralement une faible résistance; par conséquent, les alliages sont principalement coulés pour la plupart des applications réelles. Ainsi, le choix repose évidemment sur les eutectiques et les alliages quasi-eutectiques.

Les pièces moulées peuvent être regroupées en deux catégories principales, à savoir les lingots et les pièces moulées. Près de 75% du total des matériaux coulés sont sous forme de lingots. Cependant, notre principale préoccupation dans la présente discussion concerne les moulages façonnés.

Les pièces moulées peuvent peser de quelques grammes à plusieurs tonnes. Peut-être que l’objet le plus lourd jamais réalisé lors de la coulée était la statue en bronze de Clossus de Rhodes, incluse dans les sept merveilles du monde. Cependant, en laissant de côté les merveilles actuelles, les pièces lourdes incluent souvent les structures des machines, les volants d'inertie et les plaques de base pour turbines, etc.

En règle générale, les pièces moulées ont une bonne résistance à la compression mais présentent un faible allongement et une faible résistance à la traction. Les matériaux considérés comme exceptionnellement bons pour la coulée comprennent, outre la fonte, les alliages de cuivre, d’aluminium, de nickel-nickel et de magnésium.

Certaines des castings typiques sont les suivants:

Poulies, volants d'inertie, blocs-moteurs, bancs de machines-outils, ébauches d'engrenages, aubes de turbines, tuyaux en fonte, etc.

Technique n ° 2. Formant:

Après la coulée, on a procédé au formage, qui donne aux métaux et à leurs alliages la forme souhaitée par application d’une pression, soit par choc soudain, comme dans le cas de coups de marteau, soit par action de malaxage lent, comme dans les presses hydrauliques. Le travail mécanique d'un métal en dessous de sa température de recristallisation est appelé «travail à froid» et celui accompli au-dessus de cette température est appelé «travail à chaud». Le travail à chaud et à froid (ou le formage) est largement pratiqué dans l'industrie.

La plupart des matériaux peuvent être formés ou forgés mais, en règle générale, les matériaux les mieux adaptés au moulage présentent de médiocres qualités de formage. En général, les matériaux les mieux adaptés à la mise en forme sont ceux qui ont une longue plage de sperme lors de la solidification, par exemple des alliages en solution solide.

De nombreuses propriétés d'alliage sont affectées par la nature des solutions solides, par exemple, la résistance et la dureté augmentent avec la quantité de soluté présent, tandis que la ductilité et la conductivité électrique sont réduites. La qualité de formage d'un matériau est généralement appelée aptitude au formage pour un matériau en feuille et capacité de forge pour un matériau plus épais. sections et est associé à la ductilité du matériau. Les processus qui peuvent être inclus dans la formation sont les méthodes de formation de feuille comme le pliage, l’emboutissage profond, l’extrusion, le formage à taux élevé d’énergie (HERF), le filage, le cintrage au rouleau, le formage par étirage; tandis que la forge peut inclure la renversement, la frappe à froid, le sertissage rotatif, le frappe, etc.

Le test de formabilité est généralement effectué par le test de dégustation Erichsen dans lequel le matériau en feuille est étiré jusqu'à fissuration. La capacité de forge, en revanche, est la capacité d'un métal à se déformer dans des conditions de forgeage sans se fissurer. L'un des meilleurs tests de capacité de forge est le test de refoulement, exprimé par le rapport du diamètre de refoulement maximum pouvant être obtenu au diamètre de barre initial. Pour la frappe à froid, ce rapport est généralement appelé limite de frappe.

Indice de capacité à forger, F = D _m / D _i

Où, D _i = Diamètre initial de la barre

D _m = Diamètre maximal pouvant être obtenu par refoulement sans fissuration.

Matériaux pour forger:

Les matériaux se trouvent généralement dans trois types de cellules élémentaires, à savoir BCC (cubique à corps centré), FCC (cubique à visage centré) et HCP (hexagonal compact), comme le montre la figure 1.2, ainsi que certains des puits. métaux connus sous ces trois catégories de structures cellulaires.

Les métaux cubiques à faces centrées ont en général la meilleure ductilité. Ils sont généralement aussi le plus forgeable. Les métaux serrés hexagonaux sont les moins forgeables à la température ambiante, mais la plupart peuvent être forgés à chaud. Si un métal peut être embouti profondément sous forme de feuille, il peut être forgé à froid ou étêté à froid sous forme de barre, et il en est ainsi pour tous les métaux. Les nuances de métaux à usinage libre ont une capacité de forge limitée.

Les meilleurs. Pour forger, à froid ou à chaud, sont la plupart des alliages d'aluminium et de cuivre, y compris les métaux relativement purs. Les aciers au carbone contenant 0, 25% de carbone ou moins sont vraiment forgés à chaud ou à tête froide. Les aciers à haute teneur en carbone et en alliage sont presque toujours forgés à chaud. Le magnésium, qui est HCP, a une ductilité faible à la température ambiante, mais se forge facilement à chaud.

Les alliages d'aluminium sont forgés entre 385 ° C et 455 ° C ou environ 40 ° C en dessous de la température de solidification. Les alliages d'aluminium ne forment pas de tartre lors des opérations de forgeage à chaud, la durée de vie de la matrice est donc excellente.

Le cuivre et les laitons contenant 30% ou moins de zinc ont une excellente capacité de forgeage dans les opérations de travail à froid. Les laitons à haute teneur en zinc peuvent être forgés à froid dans une certaine mesure, mais sont d'excellents alliages de forgeage à chaud. Les alliages de magnésium sont forgés sur des presses à une température supérieure à 400 ° C. À des températures plus élevées, le magnésium doit être protégé de l'oxydation ou de l'inflammation par une atmosphère inerte d'anhydride sulfureux.

La capacité de forgeage de différents métaux pour le forgeage à la matrice, par ordre décroissant, pour certains des alliages courants est donnée dans le tableau 1.1:

En raison de l'action de malaxage lors du forgeage, les composants produits par forgeage sont normalement les plus résistants et nécessitent le moins d'épaisseur de matériau. Tous les composants critiques sont donc normalement forgés.

Parmi les exemples typiques de composants forgés figurent les suivants:

Vilebrequins, bielles, crochets de traction et de levage, ressorts hélicoïdaux, essieux, tubes et tuyaux sans soudure, corps de coques, tiges, plaques, profilés, tubes de dentifrice, etc.

Technique # 3. Usinage:

Il s’agit de donner à un matériau donné la forme souhaitée en retirant le matériau supplémentaire ou indésirable en le découpant sous forme de copeaux. Le matériau de l'outil de coupe est nécessairement plus dur et plus résistant que le matériau à couper. Les procédés d'usinage couramment utilisés sont le tournage, le fraisage, le perçage, le façonnage, la planification, l'alésage, le perçage, etc.

Même si les tours et les machines à fraiser étaient utilisées en rapport avec l'horlogerie, même aux quinzième et seizième siècles, la plupart de ces procédés ont été introduits dans les industries à volume élevé sous leur forme actuelle pour la fabrication de pièces de machines à vapeur à la fin du XIXe siècle. au siècle actuel.

Presque tous les matériaux peuvent être usinés mais pas avec la même facilité. En règle générale, les matériaux plus durs avec une résistance à la traction élevée sont plus difficiles à usiner. En outre, les matériaux très mous sont difficiles à usiner car une saisie se produit entre le matériau de travail et l'outil. Ainsi, on peut dire qu’il existe une plage de dureté spécifique au-dessus et au-dessous de laquelle le rendement d’usinage décroît.

Pour comparer la facilité de coupe, les matériaux reçoivent un indice d'usinabilité.

L'usinabilité d'un matériau dépend de divers facteurs et il est courant d'en considérer quatre, à savoir:

(i) durée de vie de l'outil,

ii) forces de coupe,

(iii) l'état de surface, et

iv) consommation d'énergie.

Sur la base de ces facteurs, l'acier de décolletage spécifié par l'AISI (Institution américaine de l'acier et du fer) sous le numéro B 1112 avec la composition suivante et tourné à 180 SFM (pieds surfaciques par minute) ou 55 SMM (mètres surfaciques par minutes) se voit attribuer un indice d'usinabilité de 100.

C = 0-13% (max.)

Mn = 0-9%

P = 0-1%

S = 0-2%

Fer = reste

Un certain nombre de formules ont été développées pour déterminer l'indice d'usinabilité et l'une de ces formules proposée par Janitsky est la suivante:

où,

c = une fonction de TS,

TS = résistance à la traction,

YP = limite d'élasticité.

Les caractéristiques des matériaux qui affectent l'usinabilité d'un métal sont les suivantes:

1. Composition du matériau:

Une teneur élevée en alliages et la présence d'inclusions dures telles que Al ₂ O ₃ dans les aciers ainsi qu'une teneur en carbone inférieure à 0, 30% ou supérieure à 0, 60% réduisent l'usinabilité, tandis que de petites quantités de plomb, de manganèse, de soufre et de phosphore l'améliorent.

2. structure métallique:

Une microstructure uniforme avec de petits grains non perturbés améliore l'usinabilité. La structure lamellaire dans les aciers à faible et moyen carbone et la structure sphéroïdale dans les aciers à haute teneur en carbone se traduisent également par une meilleure usinabilité.

3. Traitement de travail et traitement thermique:

Le travail à chaud des alliages durs et le travail à froid des alliages mous améliorent l'usinabilité.

Le recuit, la normalisation et le revenu, en général, améliorent l'usinabilité. La trempe réduit normalement l'usinabilité.

Les indices d'usinabilité de certains des matériaux bien connus sont donnés dans le tableau 1.2.

Parmi les exemples typiques de composants usinés figurent les vées, les sièges de soupape, les chemises de cylindre de voiture, les dents d'engrenage, les broches vissées, les pièces de machine, les écrous et les boulons, etc.

Technique n ° 4. Soudure:

Le soudage, tel qu’il est normalement compris aujourd’hui, est un nouveau venu parmi les procédés de fabrication, bien que la forge par assemblage de pièces métalliques ait été pratiquée même avant Christ. Bien qu'il existe un certain nombre de procédés de soudage bien établis, le soudage à l'arc avec des électrodes enrobées reste le procédé de soudage le plus utilisé dans le monde.

La soudure à l'arc sous sa forme actuelle est apparue sur la scène industrielle dans les années 1880. Bien qu'il y ait des affirmations contradictoires au sujet de l'inventeur de ce procédé mais très souvent, cela est attribué à un Russe nommé Slavianoff qui prétend l'avoir breveté en 1881. Cependant, le soudage à l'arc n'a pas été accepté pour la fabrication de composants critiques jusque vers 1920. les revêtements de temps pour les électrodes avaient été bien développés.

Cependant, la demande de production à grande échelle d'objets lourds tels que navires, appareils à pression, construction de ponts, etc., donna l'impulsion nécessaire à la soudure et la seconde guerre mondiale l'établit fermement comme processus de fabrication majeur.

Le soudage, qui consiste à joindre deux ou plusieurs pièces de matériau, crée un joint permanent mais affecte normalement la métallurgie des composants. Il s’accompagne donc généralement d’un traitement thermique post-soudure (PWHT) pour la plupart des composants critiques.

La plupart des matériaux peuvent être soudés par l'un ou l'autre processus. Cependant, certains sont plus faciles à souder que d'autres. Pour comparer cette facilité de soudage, on utilise souvent le terme «capacité de soudage». La capacité de soudure d'un matériau dépend de divers facteurs tels que les changements métallurgiques dus au soudage, les changements de dureté dans et autour de la soudure, le dégagement et l'absorption de gaz, l'étendue de l'oxydation et l'effet sur la tendance à la fissuration du joint. En fonction de ces facteurs, les aciers ordinaires à faible teneur en carbone (C <0-12%) ont la meilleure capacité de soudage parmi les métaux. Très souvent, les matériaux à haute aptitude à la coulée ont généralement une faible aptitude à la soudure.

Les procédés de soudage largement utilisés dans l’industrie comprennent l’oxy-acétylène, l’arc manuel à arc ou l’arc métallique blindé (SMA), l’arc submergé (SA), l’arc à gaz métal (GMA), le soudage à l’arc gaz tungstène (GTA), le soudage à résistance, le soudage thermit soudage sous pression à froid. La plupart de ces procédés ont des champs d’influence particuliers, comme le soudage par résistance qui est populaire dans l’industrie automobile, le soudage thermique pour le raccordement in situ des rails. GM AW est particulièrement adapté au soudage des structures en acier à faible teneur en carbone, ainsi que du soudage des aciers inoxydables et de l'aluminium, GTAW est plus populaire dans les industries aéronautique et nucléaire, SAW pour la construction de navires, le soudage à froid dans l'industrie alimentaire, etc. Cependant, les procédés de soudage à l'électrode enrobée SMAW ou à l'articulation et le soudage oxyacétylène sont des procédés à usage général avec une large gamme d'applications.

Parmi les applications typiques du soudage, on peut citer la fabrication de navires, d'appareils sous pression, de carrosseries d'automobiles, de plates-formes en mer, de ponts, de tubes soudés, de scellement de combustible nucléaire et d'explosifs, etc.