Tribological behaviour of high thermal conductivity tool steels for hot stamping

Negli ultimi anni, l'utilizzo degli acciai alto resistenziali per sviluppare parti strutturali nell'industria automobilistica è aumentato notevolmente, grazie soprattutto al loro favorevole rapporti resistenza-peso e rigidezza, consentendo una riduzione del consumo del carburante per assecondare le nuove restrizioni in termini di emissioni di CO2 e conservando nel frattempo, la sicurezza dei passeggeri. Tuttavia, la formabilità a temperatura ambiente degli acciai alto resistenziali è scarsa e per questo motivo, i componenti con geometrie complesse sono prodotti applicando la deformazione plastica ad elevata temperatura. L'uso della tecnologia dello stampaggio a caldo, che è stata sviluppata durante gli anni '70 in Svezia, è diventata sempre più popolare per la produzione di parti che costituiscono il telaio delle automobili. Utilizzando tale tecnologia, si sono ottenuti notevoli miglioramenti - se confrontata con la formatura a freddo - come la riduzione del ritorno elastico e delle forze di stampaggio, la possibilità di ottenere geometrie più complesse, un accurato controllo della microstruttura del componente e l'ottenimento di pezzi con elevate proprietà meccaniche. Il processo di stampaggio a caldo di parti in acciaio alto resistenziale consiste principalmente nel riscaldamento di una lamiera fino alla temperatura di austenitizzazione e poi nell’applicazione simultanea della fase di formatura e tempra in stampi chiusi per ottenere una microstruttura martensitica sui componenti finali; in questo modo, il carico di rottura passa da 600 MPa a 1500-1.600 MPa. Tuttavia, diversi problemi tribologici sorgono quando lo stampo e lamiera interagiscono durante il processo di formatura a temperature elevate; l'assenza di qualsiasi tipo di lubrificante a causa delle elevate temperature di processo e per preservare la qualità del pezzo per le successive fasi di lavorazione porta ad elevate forze di attrito all'interfaccia stampo-lamiera e i severi meccanismi di usura insieme ai danni superficiali degli stampi di formatura possono alterare la qualità del prodotto finale e possono anche avere un impatto negativo sull’economia del processo a causa della frequente manutenzione o sostituzione degli stampi. Inoltre, considerando che la conducibilità termica del materiale dello stampo influenza le performance di raffreddamento che possono essere ottenute durante la fase di tempra in stampo e quindi, la produttività del processo, essendo il tempo di tempra la parte predominante del tempo ciclo, gli acciai per stampi ricoprono un ruolo importante in questo processo; influenzano fortemente le proprietà finali del pezzo ed hanno un forte contributo sugli investimenti e costi di manutenzione. Un'analisi della letteratura tecnico-scientifica mostra un grande interesse per lo sviluppo di diversi rivestimenti per le lamiere alto resistenziali, dal tradizionale Al-Si fino al nuovo rivestimento base Zn e sull'analisi di rivestimenti PVD , CVD e nitrurazione plasma da applicare sugli stampi, mentre molte meno indagini sono state focalizzate sullo sviluppo e test di nuovi gradi di acciai per stampi, capaci di migliorare la resistenza all'usura e le proprietà termiche che sono necessari per la tempra in stampo durante la formatura. I lavori di ricerca riportati sono concentrati su configurazioni di test convenzionali, che sono in grado di raggiungere la conoscenza fondamentale sul comportamento dell’attrito, dei meccanismi di usura e della valutazione del trasferimento di calore, con una elevata precisione per quanto riguarda i parametri di processo, ma non riescono a replicare le condizioni termo-meccaniche a cui gli stampi di formatura sono soggetti ciclicamente durante il processo industriale. In alternativa, le prestazioni tribologiche sono studiate attraverso costose prove industriali in termini di tempo e denaro, ma con un basso controllo sui parametri di processo. Partendo da questo punto di vista, l'obiettivo principale di questa tesi è quello di analizzare le prestazioni tribologiche in termini di usura, attrito e di trasferimento di calore di acciai per stampi, sviluppati per applicazioni ad alta temperatura, caratterizzati da una elevata conducibilità termica al fine di diminuire il tempo di tempra durante le fasi dello stampaggio a caldo e superare gli odierni limiti in termini di velocità di processo. Le loro prestazioni sono confrontate con un comune acciaio per stampi utilizzato nella formatura a caldo. A questo scopo, un nuovo apparecchio di prova, basato su un pin on disk test, specificamente progettato per replicare sugli stampi i cicli termo-meccanici del processo della stampa a caldo, è stato utilizzato per valutare l'influenza dei diversi parametri di processo sul coefficiente di attrito, meccanismi di usura e trasferimento di calore all'interfaccia stampo-lamiera. A differenza di altri lavori di ricerca riportati in letteratura, i quali analizzano singolarmente l'attrito, i meccanismi di usura e gli aspetti termici, mediante la metodologia utilizzata in questa tesi, la caratterizzazione tribologica nel suo complesso è ottenuta mediante un unico approccio, al fine analizzare l'evoluzione globale simultanea del sistema tribologico nel suo complesso.