Investigation of tribological properties of coated high strength steels in hot stamping

Negli ultimi anni l’esigenza di ridurre il peso dei veicoli è notevolmente aumentata in seguito all’entrata in vigore di nuove regole per il controllo delle emissioni di CO2; inoltre, le continue richieste di miglioramento della sicurezza dei passeggeri hanno promosso lo sviluppo di nuovi materiali con elevato rapporto peso-resistenza, come gli acciai alto resistenziali formati ad alte temperature. Grazie all’utilizzo di questi materiali stampati a caldo sono stati possibili notevoli miglioramenti - anche rispetto ai processi di formatura a freddo - come la riduzione delle forze di formatura, la possibilità di ottenere geometrie più complesse, la riduzione dei fenomeni di ritorno elastico e il miglioramento delle proprietà meccaniche finali del componente. Questo ha portato ad una significativa riduzione del peso delle autovetture, pur mantenendo inalterate la resistenza della struttura e i requisiti di sicurezza imposti. Il processo usato per formare gli acciai alto resistenziali a base di boro 22MnB5 è lo stampaggio a caldo, il quale prevede il riscaldamento di un foglio di lamiera al di sopra della temperatura di austenitizzazione e le successive operazioni di formatura e tempra all’interno di stampi chiusi che avvengono simultaneamente. L’obiettivo è quello di ottenere una microstruttura martensitica nel componente finale, che consente di aumentare il carico di rottura finale da 600MPa fino a 1500MPa. Tuttavia, il processo di stampaggio a caldo presenta una serie di aspetti molto critici, quali per esempio le condizioni tribologiche connesse alle elevate temperature tra lamiera e superficie dello stampo. Problematiche come l’ossidazione, il trasferimento di materiale, il danneggiamento delle superfici, l’usura e l’alto attrito influenzano la qualità superficiale del componente, la durabilità degli stampi e l’interno processo. Uno sguardo alla letteratura rivela che lo studio dei fenomeni di attrito di acciai alto resistenziali rivestiti e non rivestiti sono valutati utilizzando principalmente l’apparato sperimentale “strip drawing”. L’influenza dei differenti parametri di processi sul coefficienti di attrito – quali temperatura e pressione normale – è stata individuata, ma i risultati non sono completi e poco comparabili tra loro. Lo studio dei fenomeni di usura che caratterizzano gli stampi usati nello stampaggio a caldo si è invece rivelato essere un campo per numerosi aspetti ancora inesplorato. I principali studi presenti in letteratura hanno focalizzato l’attenzione su test di usura convenzionali, molto utili per ottenere conoscenze sui fondamenti dell’evoluzione dell’usura, ma incapaci di riprodurre le stesse condizioni meccaniche e termiche a cui sono realmente sottoposti gli stampi durante il processo industriale. Infatti, nel corso di questi test non vengono solitamente applicati cicli termici al materiale, mantenendo la temperatura costante. In alternativa, lo studio dei fenomeni di usura viene eseguito con costose e lunghe prove industriali, che non consentono però di controllare separatamente alcun parametro di processo. L’obbiettivo di questa tesi di dottorato è dunque rivolto principalmente allo sviluppo di approcci innovativi, basati sulla progettazione sia di apparati sperimentali che di procedure, per descrivere e studiare accuratamente i fenomeni tribologici sulle superfici di scorrimento durante i processi di stampaggio a caldo di acciai alto resistenziali rivestiti. Per raggiungere questo scopo, è stata progettata una nuova macchina di prova simulativa che consente di valutare l’influenza dei differenti parametri di processo sul coefficiente di attrito durante lo stampaggio a caldo. Inoltre, è stato implementato un nuovo approccio basato sul pin-on-disc test, al fine di: • valutare i principali meccanismi responsabili dell’usura degli stampi durante lo stampaggio a caldo; • applicare stress meccanici e termici controllati sul materiale del pin durante la prova. Al fine di validare le procedure proposte sono stati eseguiti test di diffusione e di attrito in condizioni di stampaggio a caldo utilizzando lamiere alto resistenziali rivestite con Al-Si e Zn (applicati con processi di deposizione galvanica a caldo). I risultati ottenuti hanno dimostrato l’efficacia del nuovo apparato sperimentale e l’influenza dei parametri di processo sui coefficienti di attrito e sui fenomeni diffusivi nel rivestimento. Inoltre è emerso che il rivestimento a base di Zn permette l’ottenimento di coefficienti di attrito inferiori rispetto a quello a base di Al-Si. Il nuovo approccio per test di usura in condizioni di stampaggio a caldo è stato validato in termini di replicazione degli stress termo-meccanici applicati sulla superficie del pin e, successivamente, sono stati testati anche tre differenti materiali per stampi. Utilizzando specifici mezzi di investigazione delle superficie, è stato possibile analizzare i principali meccanismi di usura, permettendo una migliore comprensione di principi che stanno alla base dei fenomeni di attrito e usura nello stampaggio a caldo di acciai alto resistenziali rivestiti. Infine è stato individuato il materiale più performante in termini di resistenza all’usura.