Tribological performance of environmentally friendly solid lubricant coatings for sheet metal forming

In una società che diventa sempre più consapevole delle conseguenza che l’attività umana ha sull’ambiente, non è possibile ignorare l’impatto dovuto alle aziende manifatturiere. Queste ultime devono rispondere non solo a delle esigenze ambientali ma anche a degli obblighi di tipo economico e legislativo. Nello specifico, lo stampaggio di lamiera viene considerato come un processo che consuma non poca energia se viene considerato il peso del componente finito, al tempo stesso si tratta di un processo caratterizzato da un livello elevato di efficienza per quanto riguarda l’utilizzo di materia prima. Nonostante ciò l’esaurirsi delle risorse presenti in natura ed il livello preoccupante di inquinamento causati dal consumo di energia e di materia prima impone un’ulteriore riduzione dei consumi. La trasformazione di energia, materia prima e utenze in un prodotto finito o semi-finito è solo un aspetto dello stampaggio di lamiera. Oltre al pezzo da realizzare, tutte le fasi di produzione dal pre-trattamento del materiale, alla formatura, al post-trattamento producono anch’esse materiali residui o emissioni non voluti o pericolosi. Con particolare riferimento alla fase di formatura i lubrificanti di tipo liquido giocano un ruolo fondamentale essendo per la maggior parte nocivi nei confronti dell’ambiente e pericolosi da utilizzare da parte del personale. In aggiunta sono necessari agenti sgrassanti, solitamente nocivi, per pulire il pezzo finito. Al fine di ridurre l’impatto ambientale degli olii lubrificanti, e possibili strategie sono: • smaltimento • reciclaggio • riduzione • sostituzione • eliminazione Attualmente la pratica più diffusa è quella relativa allo smaltimento anche se non rappresenta una soluzione vantaggiosa né dal punto di vista economico né dal punto di vista ecologico; la riduzione ed ancora di più l’eliminazione dei lubrificanti liquidi dovrebbero essere perseguite laddove possibile. Sostenendo una politica di eliminazione negli ultimi anni sono state proposte diverse tipologie di rivestimenti solidi atti alla riduzione dell’attrito nello stampaggio di lamiera. In letteratura si trovano diversi risultati sperimentali relativi al loro comportamento tribilogico, in condizioni però tendenzialmente diverse da quelle tipiche di processo. Il presente lavoro di tesi si pone pertanto come obiettivo la caratterizzazione tribologica, in condizioni di processo, di tre sistemi di lubrificazione di tipo solido. Sono stati presi in considerazione due diversi casi industriali, imbutitura di acciaio inossidabile e stampaggio a caldo di acciaio altoresistenziale al boro. Con riferimento al primo sistema tribologico si è determinato il coeffciiente d’attrito in funzione di pressione normale, velocità di scorrimento, temperatura sia dell’utensile che della lamiera tramite test simulativo di tipo trip drawing. L’attrezzatura sperimentale in grado di realizzare tale tipologia di test è stata interamnente progettata e realizzata durante il periodo di dottorato presso i laboratori del DIMEG, Università di Padova. I risultati ottenuti per i due rivestimenti di tipo inorganico (CrN, CrN-DLC) depositati sul lato stampo sono stai peggiori di quelli ottenuti con gli stampi non rivestiti e lubrificati solo con olio. Ciò è stato probabilmente dovuto alla morfologia della superficie rivestita che va ottimizzata una volta effettuato il deposito del rivestimento stesso. Per quanto riguarda i rivestimenti organici, uno in particolar modo, ha dimostrato di essere un ottimo candidato per operazioni di stampaggio a secco dal momento che presenta un coefficiente d’attrito paragonabile a quello dell’olio. Con riferimento invece al sistema tribologico presente nelle operazioni di hot stamping, si è inizialmente studiata l’evoluzione sia chimica che morfologica del rivestimento Al-Si (depositato sulla lamiera) con i parametri termici di proceeso. Quindi si è analizzato il comportamento tribologico dello stesso in funzione di parametri quali la temperatura di test della lamiera, la pressione normale, la velocità di strisciamento e la rugosità dello stampo. Si è messo in evidenza come l’interazione tra pressione normale e temperatura abbiano un’influenza significativa sull’attrito all’interfaccia lamiera/stampo permettendo così un’ottimizzazione dei parametri di processo.