Guide du forgeage de l'acier inoxydable : Les 3 principaux types expliqués

L'acier inoxydable est un type d'acier fortement allié à faible teneur en carbone (ne dépassant généralement pas 0,4% en masse) et contenant divers éléments d'alliage (avec une fraction de masse d'éléments d'alliage supérieure à 13%).

L'acier inoxydable est divisé en acier inoxydable ferritique, acier inoxydable austénitique et acier inoxydable martensitique en fonction de sa structure matricielle. L'acier inoxydable présente une résistance élevée à la déformation, une faible conductivité thermique, une forte sensibilité à la surchauffe et une mauvaise aptitude au forgeage.

Forgeage de l'acier inoxydable ferritique

L'acier inoxydable ferritique contient une petite quantité de carbone, avec une fraction de masse de chrome de 16% à 30% (comme 20Cr13, 10Cr17, etc.). Ce type d'acier ne subit pas de transformation structurelle pendant le chauffage et le refroidissement, et ne peut pas utiliser de méthodes de traitement thermique pour améliorer la résistance ou affiner les grains ; seules les méthodes de forgeage peuvent affiner les grains. Sa température de recristallisation est basse, sa vitesse de recristallisation est rapide, les grains ont tendance à croître pendant le chauffage et la forgeabilité est faible. Les points clés du processus de forgeage de l'acier inoxydable ferritique sont les suivants :

1) Le grain de l'acier inoxydable ferritique commence à croître à 600°C. Pour éviter le grossissement du grain pendant le processus de chauffage, la température de chauffage ne doit pas être trop élevée et le temps de maintien ne doit pas être trop long. Les valeurs initiales couramment utilisées sont les suivantes température de forgeage est de 1100 à 1150°C, et la température de chauffage du dernier feu ne doit pas dépasser 1000°C. Pour réduire le temps de séjour de la billette à haute température, il faut la chauffer rapidement à la température initiale de forgeage après l'avoir lentement chauffée à 760°C.

2) Comme l'acier inoxydable ferritique ne peut pas utiliser de méthodes de traitement thermique pour affiner les grains, il doit être entièrement forgé pendant le forgeage pour affiner les grains et assurer une déformation suffisante et uniforme. La déformation du dernier feu doit être supérieure à 12% à 20%. La température finale de forgeage doit être inférieure à 800°C pour éviter que les grains affinés ne s'agrègent à nouveau. Toutefois, pour éviter l'écrouissage causé par une température de forgeage finale trop basse, la température de forgeage finale ne doit pas être inférieure à 750°C.

3) Après le forgeage, il doit être refroidi à l'air pour se disperser rapidement dans la zone de fragilisation de 475°C. Un recuit de courte durée à une température supérieure à 550°C (généralement 700 à 800°C) peut permettre à l'acier inoxydable fragilisé de retrouver son état d'origine.

Forgeage de l'acier inoxydable austénitique

La fraction de masse de carbone de l'acier inoxydable austénitique est inférieure à 0,25%, la fraction de masse de chrome est comprise entre 17% et 19%, et la fraction de masse de nickel est comprise entre 8% et 18%, comme le 12Cr18Ni9, le 17Cr18Ni9, etc. L'acier inoxydable austénitique ne subit pas de transformation structurelle lorsqu'il est refroidi et ne peut pas non plus utiliser de méthodes de traitement thermique pour augmenter la résistance et affiner les grains ; seules la déformation thermique par forgeage et la recristallisation peuvent être effectuées. Les grains d'acier inoxydable austénitique ont tendance à croître à haute température, mais cette tendance n'est pas aussi forte que celle de l'acier inoxydable ferritique.

Les spécifications de chauffage de l'acier inoxydable austénitique sont similaires à celles de l'acier ferritique, la température initiale de forgeage étant généralement comprise entre 1150 et 1180°C, et la température finale de forgeage ne devant pas être inférieure à 850°C ; dans le cas contraire, la précipitation de carbures dans la structure augmente la résistance à la déformation, ce qui rend le forgeage sujet à la fissuration.

 Les points clés du processus de forgeage de l'acier inoxydable austénitique sont les suivants :

1) Éviter strictement la cémentation pendant le chauffage. Le carbone et le chrome forment facilement des composés de carbure de chrome aux joints de grains, ce qui appauvrit la teneur en chrome de la matrice près des joints de grains et augmente la sensibilité de l'acier à la corrosion intergranulaire. Le chauffage doit être effectué dans une atmosphère faiblement oxydante.

2) Lors du forgeage des lingots d'acier, il convient de commencer par un pressage léger. Ce n'est que lorsque la déformation du lingot d'acier atteint 30% que l'on peut procéder à un pressage lourd. Pendant le forgeage, le lingot doit être alimenté dans une seule direction afin d'éviter les coups de marteau répétés à un endroit, ce qui empêche l'apparition de fissures transversales centrales.

3) Le rapport de forgeage pour les lingots d'acier est fixé entre 4 et 6, et pour les billettes entre 2 et 4, en fonction de la taille du grain de la matière première. La taille du grain de l'acier inoxydable austénitique a une grande influence sur la résistance à la corrosion de l'acier. Pour obtenir une structure de grain fine, il faut veiller à ce que la dernière chauffe ait un rapport de forgeage suffisant, avec une quantité de déformation supérieure au degré de déformation critique pour la recristallisation.

4) Une déformation uniforme est nécessaire pendant le processus de déformation pour obtenir une structure de grain plus uniforme. Les mesures suivantes peuvent être envisagées pour les disques ronds forgés :

• Utiliser une plate-forme et une surface d'enclume lisses, lubrifier si nécessaire ;
• Préchauffer la plate-forme et la surface de l'enclume entre 150 et 450°C ;
• Ajouter des tampons en acier à faible teneur en carbone aux deux extrémités de l'ébauche de disque ;
• Utiliser le forgeage par empilage ;
• Appliquer une compression intermittente pendant la déformation ;
• Utiliser un boyau pour le refoulement.

5) L'acier inoxydable austénitique présente un taux de retrait particulièrement élevé. Lorsque le forgeage est dans sa forme finale, un taux de retrait plus important (1,5% à 1,7%) doit être envisagé pour éviter que la pièce forgée ne soit mise au rebut en raison de dimensions insuffisantes après le refroidissement.

6) Refroidissement à l'air après le forgeage. L'acier inoxydable austénitique peut être refroidi à l'air, en fosse ou au sable après le forgeage.

7) Afin de redissoudre les carbures précipités pendant le processus de forgeage et de refroidissement à l'air dans l'austénite, et d'obtenir une structure austénitique uniforme et unique à température ambiante, l'acier inoxydable doit subir un traitement de mise en solution, c'est-à-dire un chauffage et un maintien à une température comprise entre 1020 et 1050 °C, puis un refroidissement à l'eau. La température ne doit pas être trop élevée et le temps de maintien ne doit pas être trop long pour éviter la croissance des grains.

3. Forgeage de l'acier inoxydable martensitique

L'acier inoxydable martensitique a une fraction de masse de carbone de 0,1% à 4%, et une fraction de masse de chrome d'environ 12% à 14%, comme 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13, etc. Ce type d'acier est austénitique à haute température et se transforme en structure martensitique lorsqu'il est refroidi à température ambiante. Sa dureté est supérieure à celle des aciers inoxydables ferritiques et austénitiques. Le traitement thermique permet d'affiner la taille des grains et d'améliorer les propriétés mécaniques.

La température de chauffage de l'acier inoxydable martensitique ne doit pas être trop élevée, car une température trop élevée peut entraîner la formation de δ-ferrite, ce qui réduit la plasticité de l'acier. La température initiale de forgeage est généralement comprise entre 1100 et 1150°C. Ce type d'acier a une mauvaise conductivité thermique et un chauffage rapide peut facilement provoquer des fissures. Il doit donc être chauffé lentement avant d'atteindre 850°C, et ce n'est qu'après avoir amélioré sa plasticité qu'il peut être chauffé rapidement jusqu'à la température de forgeage initiale.

Ce type d'acier est une structure austénitique monophasée à haute température, et il n'y a pas de difficultés particulières pour le forgeage, mais il convient d'éviter les frappes importantes dans la plage de 900 à 950°C pour éviter l'éclatement. La quantité de déformation du dernier feu n'a pas non plus d'exigences particulières, et la température finale de forgeage est généralement de l'ordre de 900°C.

Si ce type d'acier est refroidi à l'air après le forgeage, il se transforme immédiatement en une structure martensitique. La pièce forgée présente des contraintes thermiques, des contraintes résiduelles de forgeage et des contraintes structurelles importantes, qui peuvent facilement entraîner des fissures superficielles. Par conséquent, après le forgeage, la pièce doit être lentement refroidie dans du sable chaud ou dans un four, et un recuit doit être effectué en temps voulu pour éliminer les contraintes internes et réduire la dureté, afin de faciliter l'usinage.