Capitolo 6: Quando il filo d’acciaio si assottiglia, anche lo stato del materiale cambia
In un ambiente di stampaggio a freddo è molto comune riscontrare una situazione:
La stessa qualità del materiale, la stessa acciaieria e infine le stesse dimensioni ottenute dopo la trafilatura; eppure, una volta inseriti nella macchina per lo stampaggio a freddo, mentre un lotto produce senza problemi, un altro presenta instabilità nella formatura, testa non completamente riempita e talvolta persino fratture occasionali.
Dove sta il problema?
Molti ritengono che la trafilatura serva soltanto ad assottigliare il filo d’acciaio grezzo, purché le dimensioni siano conformi.
In realtà non è così semplice.
La trafilatura non modifica solo il diametro, ma influisce anche sulla successiva lavorabilità allo stampaggio a freddo.
I. Stesso punto d’arrivo, ma percorsi diversi
Pur raggiungendo entrambi il diametro finale di 10 mm, un lotto potrebbe essere partito da 11 mm, mentre un altro da 13 mm.
Anche se il diametro finale è identico, il secondo lotto avrà subito una deformazione nettamente maggiore.
Più il filo d’acciaio viene tirato, più tende a indursi e a incrementare la propria resistenza; di conseguenza, durante la successiva formatura a freddo, la forza necessaria per la deformazione subirà anch’essa variazioni.
Pertanto, per valutare se un materiale sia adatto allo stampaggio a freddo, non basta considerare soltanto le specifiche finali, ma occorre tenere presente:
Quanto era spesso in origine e quanto è stato ridotto complessivamente.
È come quando due persone arrivano contemporaneamente alla cima di una montagna: una ha preso la funivia, l’altra è salita a piedi. Pur trovandosi nello stesso punto, le loro condizioni fisiche sono completamente diverse.
II. Troppo in una sola volta oppure in più passaggi: i risultati differiscono
Un filo d’acciaio può essere ridotto da uno spessore maggiore a uno minore sia in un’unica operazione, sia attraverso più passaggi successivi.
Se la riduzione avviene tutta in una volta, aumentano la pressione tra il filo e la matrice, l’attrito e la temperatura; inoltre, le modifiche superficiali e interne del materiale possono risultare disomogenee.
Tuttavia, nemmeno aumentare eccessivamente il numero dei passaggi è sempre vantaggioso.
Un numero troppo elevato comporta anch’esso un accumulo continuo degli effetti dell’attrito e della deformazione.
Ciò che conta davvero è come vengono organizzate le singole fasi, soprattutto se l’ultima operazione di trafilatura sia adeguata.
Non solo conta quanto si tira complessivamente, ma è altrettanto importante come si conclude la trafilatura.
Ecco perché, anche utilizzando lo stesso coil di vergella, impianti di rilavorazione diversi possono ottenere materiali con prestazioni di stampaggio a freddo differenti.
III. Anche i fili d'acciaio "ricordano" la direzione della sollecitazione
Durante la trafilatura, il filo d'acciaio viene principalmente allungato in avanti.
Durante la stampaggio a freddo, il materiale viene invece compresso e fluisce verso la testa e lateralmente.
In altre parole, il materiale ha appena subito una deformazione di trazione ed è poi immediatamente sottoposto a compressione.
Dopo che un metallo si è deformato in una certa direzione, se viene successivamente sollecitato nella direzione opposta, le sue condizioni iniziali di deformazione possono cambiare. In ingegneria questo fenomeno è chiamato effetto Bauschinger.
In termini semplici:
Il filo d'acciaio ricorda come è stato precedentemente tirato.
Dopo la trafilatura, anche se la resistenza alla trazione del materiale aumenta, ciò non significa che la sua resistenza alla deformazione in compressione durante lo stampaggio a freddo cresca proporzionalmente.
Pertanto, per valutare un materiale dopo la trafilatura non bisogna considerare solo la resistenza alla trazione e la durezza, ma anche la direzione della deformazione che dovrà successivamente sopportare.
IV. L'indurimento e la memoria direzionale post-trafilatura coesistono simultaneamente
Dopo la trafilatura, il materiale generalmente diventa più duro: questo fenomeno è detto incrudimento.
Tuttavia, quando il materiale passa dalla trazione alla compressione, subisce anche l'influenza dell'effetto Bauschinger.
Questi due effetti agiscono contemporaneamente:
- maggiore è la deformazione dovuta alla trafilatura, maggiore è solitamente la resistenza del materiale alla ulteriore deformazione;
- cambiando direzione della sollecitazione, il materiale può iniziare prima la deformazione per compressione.
Nelle fasi iniziali quale dei due effetti risulti più evidente e quale prevalga nelle fasi successive dipende dal tipo di materiale, dalle sue condizioni originali e dal grado di trafilatura.
Pertanto, non si può affermare semplicisticamente che "meno trafilatura è meglio", né che "sfruttando l'effetto Bauschinger, più trafilatura è preferibile".
Bisogna piuttosto individuare un intervallo ottimale.
Tuttavia, tale intervallo non è uguale per tutti i gradi, tutte le specifiche e tutti i prodotti.
V. Perché gli acciai bainitici non bonificati meritano maggiore attenzione?
Alcuni acciai bainitici e ad alta resistenza non bonificati mostrano un effetto Bauschinger particolarmente marcato quando, dopo la trafilatura, passano dalla trazione alla compressione tipica dello stampaggio a freddo.
Tali materiali possiedono già una elevata resistenza; dopo la trafilatura, pur continuando ad aumentare la loro resistenza alla trazione, la loro capacità di opporsi alla deformazione per compressione durante lo stampaggio a freddo non necessariamente cresce proporzionalmente.
Questa è proprio una delle caratteristiche che rende gli acciai bainitici non bonificati meritevoli di attenzione nei processi di indurimento per deformazione e di formatura a freddo.
Pertanto, per valutare tali materiali non ci si può limitare alla sola resistenza alla trazione e alla durezza dopo la trafilatura, ma occorre analizzare complessivamente anche il grado di trafilatura, i tempi di produzione e le prestazioni reali nello stampaggio a freddo.
6. Perché le proprietà dei materiali possono cambiare dopo un certo periodo di conservazione?
Alcuni materiali, se utilizzati immediatamente dopo la trafilatura, non presentano problemi produttivi; tuttavia, se vengono immagazzinati per un po’ e poi impiegati, le loro prestazioni possono variare.
Il motivo è che, una volta completata la trafilatura, lo stato interno del filo d’acciaio non si stabilizza necessariamente subito.
Con il passare del tempo e al variare della temperatura, la resistenza del materiale e il suo comportamento durante le successive deformazioni possono ancora modificarsi.
Pertanto, quando si confrontano due lotti di materiale, oltre a verificare la qualità e i rapporti di prova, occorre accertare:
- quando sono stati effettuati i processi di trafilatura dei due lotti;
- per quanto tempo sono stati immagazzinati dopo la trafilatura;
- se esistono differenze significative nelle condizioni ambientali di stoccaggio.
Queste informazioni, pur apparentemente banali, possono talvolta costituire indizi cruciali per individuare la causa del problema.
7. Cosa bisogna confrontare in caso di problemi?
Se materiali dello stesso grado e delle stesse specifiche presentano comportamenti diversi nella stampaggio a freddo, si consiglia innanzitutto di confrontare le seguenti informazioni:
- le dimensioni prima della trafilatura;
- le dimensioni dopo la trafilatura;
- il numero di passaggi di trafilatura effettuati;
- se l’ultima riduzione di sezione è stata identica nei due lotti;
- l’attrezzatura di produzione e la data di ricondizionamento dei due lotti;
- il tempo di stoccaggio dopo la trafilatura;
- se l’anomalia nel processo di stampaggio a freddo segue il cambio di lotto di ricondizionamento.
Se, dopo il cambio di lotto di ricondizionamento, l’anomalia varia di conseguenza, mentre gli impianti, gli stampi e i prodotti rimangono invariati, occorre concentrarsi sull’analisi del processo di trafilatura dei due lotti.
Tuttavia, riscontrare semplicemente delle differenze nei parametri non basta per trarre conclusioni definitive.
La valutazione vera e propria richiede di verificare se le variazioni intervenute durante la trafilatura possano essere correlate alle proprietà del materiale e alle anomalie riscontrate nello stampaggio a freddo.
Opinione dell’ingegnere
La trafilatura non consiste soltanto nel trasformare un filo d’acciaio da una sezione più grossa a una più sottile.
Essa modifica anche la resistenza del materiale, la sua capacità di deformazione successiva e la reattività del materiale quando passa dallo stato di “trazione” a quello di “compressione”.
Le materie prime definiscono la base, mentre il processo di trafilatura determina lo stato finale con cui il materiale entra nell’impianto di stampaggio a freddo.
Pertanto, anche materiali dello stesso grado e delle stesse specifiche, alcuni si prestano bene allo stampaggio a freddo mentre altri no: spesso il problema non risiede nel certificato di qualità del materiale, ma può nascondersi proprio nel processo di trafilatura.
Se anche voi vi trovate ad affrontare situazioni in cui materiali dello stesso grado e delle stesse specifiche presentano prestazioni diverse nello stampaggio a freddo, potete inviarmi il nome del materiale, le dimensioni prima e dopo la trafilatura, il numero di passaggi di trafilatura, la data di produzione e alcune fotografie dei pezzi anomali.
Potrò così aiutarvi a valutare se sia opportuno avviare le verifiche partendo dalle materie prime, dalla trafilatura e dal ricondizionamento oppure dai processi di stampaggio a freddo.
Anteprima del prossimo episodio
Capitolo 7: «Perché, nonostante la presenza apparente di fosfatazione-saponificazione sulla superficie, si verificano comunque problemi durante lo stampaggio a freddo?»
Nel prossimo capitolo ci concentreremo sul seguente aspetto: perché la presenza “visibile” di uno strato protettivo sulla superficie del materiale non garantisce automaticamente una lubrificazione sufficiente durante le fasi di deformazione nello stampaggio a freddo.