Optimization of industrial processes for forging of carbon and stainless steels

La possibilità di produrre componenti in acciaio inossidabile a costo limitato e caratterizzati da elevate proprietà meccaniche, ha assunto notevole importanza negli ultimi anni. Al giorno d'oggi, i processi di stampaggio a freddo e a semicaldo di acciai al carbonio sono ampiamente usati per produrre componenti industriali, grazie ai loro vantaggi economici, ma è ancora assente in letteratura un'ampia ricerca di nuovi metodi di progettazione industriale di processi di deformazione plastica a freddo e a semicaldo di prodotti in acciaio inossidabile, con la successiva valutazione delle proprietà microstrutturali. Negli ultimi decenni, l'industria dei processi di stampaggio è cambiata rapidamente. Ora i processi produttivi near-net-shape o net-shape stanno diventando una pratica utile nella formatura dei metalli, garantendo notevoli risparmi di materiale ed energetici. Molti componenti, ottenuti con lavorazioni per asportazione di truciolo, possono essere prodotti a basso costo mediante stampaggio a freddo o a semicaldo. Tradizionalmente, la progettazione dei processi di forgiatura avviene utilizzando linee guida empiriche, basate sull'esperienza e su tentativi trail-and-error da parte dei progettisti, che si traducono poi in tempi di sviluppo del processi e costi di produzione elevati. Per evitare ciò, negli ultimi anni, gli approcci di simulazione numerica si sono dimostrati strumenti potenti per prevedere e analizzare la deformazione del materiale mediante processo di formatura. Attualmente sul mercato sono presenti molti pacchetti commerciali adatti a simulare i processi di forgiatura dei metalli e la maggior parte di essi sono concentrati sulla previsione della forma del prodotto finale dopo operazioni di formatura semplici o complesse, mono- o multi-stadio. Altri aspetti vengono inclusi in questi modelli numerici, quali una migliore comprensione del comportamento del materiale, delle condizioni di attrito e lubrificazione e delle proprietà del prodotto finale, per poter prevedere fenomeni più complicati come la stima della vita dell'utensile, delle condizioni di frattura duttile e la valutazione della microstruttura. Lo scopo della presente tesi di dottorato è lo sviluppo di un approccio innovativo basato sulla progettazione di procedure sperimentali integrate con strumenti di modellazione numerica, per riprogettare accuratamente una serie di processi di forgiatura industriali mono-stadio adatti alla produzione di componenti in acciaio inossidabile a diverse temperature. Inoltre è stata effettuata la riprogettazione di un processo di formatura multi-stadio a freddo di un acciaio a basso tenore di carbonio, con la successiva previsione dei difetti superficiali che si verificano in ogni fase della sequenza di formatura. A tale scopo sono stati condotti una serie di test di trazione, per valutare l'influenza della temperatura e della velocità di deformazione sulle proprietà elasto-plastiche dei materiali considerati. Inoltre è stato realizzato un innovativo apparato sperimentale per riprodurre le condizioni di attrito reali all'interfaccia tra lo spezzone e l'utensile, al fine di prevedere con precisione il flusso del metallo in fase di deformazione plastica. I dati sperimentali sono stati validati e implementati in un software commerciale agli elementi finiti 3D-FE e successivamente calibrati con precisione, per effettuare accurate simulazioni numeriche dei processi di riferimento. I componenti forgiati ottenuti sono stati oggetto di indagini macro e microstrutturali, per valutare l'eventuale presenza di difetti superficiali, e analizzare l'evoluzione microstrutturale della fase α e γ a diverse temperature di forgiatura (i.e. 20, 400, 500, 600, 700 °C). I risultati sperimentali sono stati successivamente validati mediante simulazione numerica. I materiali studiati in questo lavoro sono: acciaio ferritico-perlitico AISI 1005 a basso tenore di carbonio (Wr. N. 1.0303), AISI 304L austenitico (Wr. N. 1.4307) e ferritico-austenitico Duplex 2205 (Wr. N. 1.4462). Le prove sperimentali sviluppate sono adatte ad una corretta valutazione del comportamento degli acciai in termini di proprietà meccaniche, calibrando con precisione i modelli numerici se applicate a processi industriali di forgiatura tradizionali e riprogettati. Le tecniche utilizzate in questo lavoro prevedono: test di trazione, test di compressione T-shape, controlli visivi (mediante calibro cinquantesimale e micrometro), misure di durezza e microdurezza, microscopia ottica (LOM), microscopia elettronica a scansione ad emissione di campo (FEG-ESEM), spettroscopia a dispersione di energia (EDS), diffrazione da retrodiffusione elettronica (EBSD) e modelli numerici sviluppati in FORGE2011®-3D.