Capitolo 7: Il film protettivo conforme non garantisce una lubrificazione efficace anche dopo la deformazione
In campo di imbutitura a freddo si riscontrano spesso anomalie come questa:
La superficie del filo presenta un colore uniforme e il peso del film di fosfosaponificazione rientra nei limiti richiesti, tuttavia, una volta inserito nella macchina per imbutitura a freddo, possono comunque verificarsi fenomeni quali polverizzazione o distacco del film, insufficiente capacità di lubrificazione residua, annerimento dei pezzi, microlacerazioni, adesione al materiale e aumento dell’usura degli stampi; in casi gravi, può persino insorgere la formazione di cricche.
In loco è facile attribuire il problema semplicisticamente a una “fosposaponificazione inefficace”, ma spesso la causa reale è ben più complessa.
Caso pratico n. 1: l’annerimento della zona d’asta del pezzo è soltanto una delle manifestazioni del cedimento del film protettivo. Non è possibile determinarne direttamente la causa basandosi esclusivamente sul colore; occorre invece analizzare lo stato del film, l’olio lubrificante presente nella cavità dello stampo e gli eventuali picchi locali di temperatura.
L’aspetto esterno e il peso del film riflettono la condizione statica precedente all’imbutitura a freddo; ciò che viene realmente messo alla prova sul campo è quanto film rimanga dopo la trafilatura e se, sotto elevate pressioni, calore da attrito e forti deformazioni, esso riesca ancora ad aderire, a mantenersi integro e a garantire la lubrificazione necessaria.
I. La fosfosaponificazione non va valutata solo dal peso totale del film
Il Gruppo Creation Group ha inserito nel proprio monitoraggio mensile della qualità il controllo dei tre strati residui di film presenti dopo la trafilatura. Questo rapporto riguarda venti tipi di fili d’acciaio prodotti in serie, distinti per marca e specifiche; per ciascun tipo sono stati prelevati tre campioni post-trafilatura, sui quali è stata effettuata la misurazione del peso residuo dei tre strati di film.
Dal punto di vista ingegneristico, tali strati possono essere così interpretati:
Fosfato di zinco: forma la matrice portante, fornendo la base d’adesione per i lubrificanti;
Stearato di zinco: strato lubrificante formatosi tramite reazione di saponificazione;
Stearato di sodio: assicura la riserva di lubrificazione necessaria per le successive fasi di trafilatura e imbutitura a freddo.
Oltre al peso del film, il monitoraggio quotidiano integra anche l’osservazione al microscopio elettronico della morfologia cristallina, dello stato di copertura e delle differenze distributive sulla superficie del film. Mentre il peso del film indica “quanto ne resta”, l’osservazione al microscopio ci avvicina maggiormente alla domanda “com’è la superficie?”. Solo combinando entrambe le informazioni si ottiene un quadro decisamente più affidabile rispetto alla semplice valutazione basata sul colore del filo.
Fotografie al microscopio elettronico del film di fosfatizzazione ottenute durante i controlli mensili: utilizzate per osservare la morfologia cristallina, lo stato di copertura e le variazioni distributive sulla superficie del film. Una singola immagine non può sostituire il prelievo di campioni da più punti né la verifica pratica in condizioni reali di imbutitura a freddo.
Nel rapporto, le prove di peso del film di fosfatizzazione si rifanno alla norma GB/T 11376-2020. Rispetto alla misurazione del peso totale del film prima del trattamento, suddividere ed esaminare separatamente i tre strati residui dopo la trafilatura consente di avvicinarsi maggiormente alla reale situazione del materiale al momento del suo ingresso nella macchina per imbutitura a freddo.
Tabella originale del rapporto mensile del Gruppo Creation Group: risultati misurati relativi allo strato di fosfato di zinco, stearato di zinco e stearato di sodio presenti nei fili d’acciaio prodotti in serie dopo la trafilatura.
I dati mensili relativi a questa tornata si collocano entro i normali intervalli di controllo, indicando una situazione complessivamente stabile dei tre strati residui di film dopo la fosfosaponificazione e la trafilatura. La pubblicazione di questo rapporto non intende dimostrare l’esistenza di problemi, bensì evidenziare che lo stato del film non può essere giudicato esclusivamente in base al colore, ma richiede controlli continui per confermare la stabilità del processo.
Tuttavia, il peso del film certificato come conforme risponde soltanto alla domanda “quanto film era presente al momento del prelievo”, senza poter stabilire autonomamente se, durante l’imbutitura a freddo ad alta velocità, il film tenda a polverizzarsi o a staccarsi, se sia in grado di sopportare i picchi locali di temperatura e se si integri correttamente con l’olio lubrificante presente nella cavità dello stampo. È proprio su questi aspetti che si concentra la presente discussione.
II. Perché un film protettivo che sembra “ben fatto” può risultare diverso dopo la trafilatura?
Il peso del film al termine del processo di fosfosaponificazione indica soltanto che il film si è già formato.
Il film di fosfatazione non può estendersi in modo continuo come il substrato d’acciaio. Durante la trafilatura, il film subisce contemporaneamente compressione, taglio e allungamento superficiale: parte dello strato lubrificante viene asportata o redistribuita; se il film presenta una scarsa adattabilità alla deformazione plastica o un’adesione insufficiente al substrato d’acciaio, possono comparire microfratture, sfaldamenti a scaglie o addirittura distacchi parziali.
La comparsa di sottili crepe nel film non implica necessariamente la sua completa inefficacia. Quello che va verificato con attenzione è se, in seguito alle fratture, si verifica un’esposizione estesa del substrato metallico, se lo strato lubrificante saponificato riesce ancora a coprire la superficie e se il film residuo è in grado di sopportare le successive deformazioni di stampaggio a freddo. In caso di esposizione localizzata del substrato, l’ingresso del materiale nella matrice aumenta il rischio di incremento dell’attrito, formazione di rigature superficiali o adesione al dado.
Pertanto, anche se due rotoli di materiale presentano un peso del film simile al termine della fosfosaponificazione, dopo trattamenti con diversi tassi di riduzione della sezione e un numero variabile di passaggi di trafilatura, il grado di fratturazione del film, il suo stato di copertura e la quantità di film efficace residuo possono comunque differire.
È per questo motivo che i test mensili del Gruppo Creation Group si concentrano su “quanto film rimane dopo la trafilatura”, piuttosto che sulla semplice ricerca di un peso del film più elevato prima del trattamento.
III. La bruciatura è solo una delle manifestazioni del cedimento del film
In senso stretto, molte delle cosiddette “bruciature del film” non corrispondono alla combustione dei cristalli di fosfato, analogamente a quanto avviene con i materiali organici.
Durante il processo di stampaggio a freddo si generano contemporaneamente calore da deformazione e calore da attrito. Se lo strato lubrificante saponificato o l’olio lubrificante presente nella cavità matrice possiedono una resistenza termica insufficiente, possono verificarsi fenomeni di ammorbidimento, decadimento termico, decomposizione o carbonizzazione dei residui.
Al contempo, la matrice del fosfato può schiacciarsi, assottigliarsi o staccarsi. Quando la protezione lubrificante viene meno, l’utensile entra in contatto diretto e localizzato con la superficie del pezzo, dando luogo a una progressione anomala secondo il seguente percorso:
Decadimento termico dello strato lubrificante → Riduzione della capacità portante del film d’olio → Contatto diretto locale tra metalli → Annerimento, rigature superficiali, adesione al dado e usura anomala della matrice.
Caso reale n. 2: sulla superficie sono già visibili evidenti rigature longitudinali, segno che l’anomalia potrebbe essersi sviluppata dal cedimento dello strato lubrificante fino al contatto diretto tra metalli e all’usura adesiva.
Pertanto, la comparsa di annerimenti sulla superficie del pezzo indica soltanto che il sistema di lubrificazione potrebbe essere compromesso; non è possibile attribuire direttamente tale fenomeno a un problema del processo di fosfatazione basandosi esclusivamente sul colore.
IV. Film protettivo e olio lubrificante per la cavità matrice: trascurarne anche uno solo comporta un’analisi incompleta
Il film di fosfosaponificazione offre una protezione di base prima dell’ingresso del materiale nella matrice; l’olio lubrificante per la cavità matrice, invece, deve garantire una lubrificazione continua durante il processo di formatura e contribuire all’allontanamento di parte del calore generato.
Anche quando il film residuo sul filo metallico si presenta in buone condizioni, se l’olio lubrificante perde rapidamente viscosità una volta entrato nella cavità matrice, se la sua resistenza termica è insufficiente o se non riesce a raggiungere stabilmente le zone soggette a forti deformazioni, possono comunque comparire annerimenti superficiali e rigature.
Viceversa, se il film efficace residuo sul filo metallico risulta già insufficiente dopo la trafilatura, aumentare soltanto la quantità di olio lubrificante nella cavità matrice potrebbe non bastare a ripristinare le condizioni originali di lubrificazione.
Il film protettivo costituisce la base, mentre l’olio lubrificante garantisce la protezione continua; ciò che determina effettivamente il risultato è l’adeguata compatibilità tra i due elementi in relazione alla specifica matrice e al processo produttivo.
Caso reale n. 3: piccoli pezzi presentano annerimenti localizzati. Pur interessando aree limitate, queste anomalie vanno valutate tenendo conto della posizione della macchina coinvolta, della velocità di produzione e delle dinamiche della produzione continua.
5. Che cosa significa una resistenza termica ≥ 900℃ nelle condizioni operative severe della stampatura a freddo?
L’attuale sistema di rivestimento utilizzato dal Gruppo Creation Group raggiunge una resistenza termica superiore ai 900℃, garantendo una riserva di stabilità termica più ampia per la stampatura a freddo ad alta deformazione.
Bisogna sottolineare che l’indicatore di resistenza termica del rivestimento riflette la capacità di stabilità dello strato superficiale alle alte temperature; ciò non implica che tutti gli oli lubrificanti per cavità matrice mantengano esattamente la stessa viscosità e le stesse prestazioni lubrificanti a 900℃. Nella produzione di serie occorre valutare la corretta compatibilità tra il rivestimento, il residuo di film, l’olio lubrificante per cavità matrice e le fasi di lavorazione.
Nel caso di validazione del prodotto SCM435, il rapporto forza-struttura ha raggiunto il 79,8%. Grazie alla sinergia tra il sistema di rivestimento, il residuo di film dopo trafilatura, la lubrificazione della cavità matrice e le fasi di formatura, è stato possibile avviare una produzione di serie stabile.
Caso di produzione di serie in condizioni severe di stampatura a freddo con SCM435: rapporto forza-struttura del 79,8%, ottenuto grazie a un adeguato abbinamento dei processi e alla conseguente stabilità produttiva.
Questo caso dimostra che ciò che conta davvero non è un singolo valore di resistenza termica né una misurazione occasionale del peso del rivestimento, ma piuttosto la capacità del materiale, in condizioni di deformazione estreme, di produrre continuamente e stabilmente pezzi conformi.
Punto di vista dell’ingegnere
Il vero valore della fosfosaponificazione non consiste nel conferire al materiale un aspetto uniforme al momento dell’entrata in magazzino, bensì nel garantire che, dopo trafilatura e successive operazioni di stampatura a freddo, il rivestimento rimanga ancorato nei punti da proteggere, conservando una riserva lubrificante sufficiente e assicurando una protezione continua di pezzi e stampi.
Nel capitolo 7 ricordate soltanto una frase:
Avere un aspetto normale prima del trattamento rappresenta solo il punto di partenza; la vera garanzia della produzione di serie sta nel fatto che, dopo la trafilatura, permanga un residuo efficace di film, che questo non si polverizzi né si sfaldi e non perda prematuramente la sua funzione lubrificante, anche in presenza di deformazione, temperature elevate e condizioni di lubrificazione della cavità matrice.
Se anche voi riscontrate fenomeni quali polverizzazione o distacco del rivestimento, annerimento o bruciatura dei pezzi, striature, adesione anomala al dado o riduzione inaspettata della durata degli stampi, potete inviarci informazioni sul grado del materiale, le sue specifiche, le dimensioni prima e dopo la trafilatura, i reparti interessati dai problemi e fotografie scattate direttamente sul posto. Il Gruppo Creation Group potrà dapprima aiutarvi a individuare se la causa va ricercata nel residuo di film, nella sua adesione, nella lubrificazione della cavità matrice oppure nelle condizioni di temperatura e attrito.
Anteprima del prossimo episodio
Capitolo 8: «Il materiale non è cambiato, perché sostituendo la configurazione del prodotto la stampatura a freddo diventa problematica?»
Nel prossimo capitolo ci concentreremo su come la struttura del prodotto, i raggi di arrotondamento, la quantità di deformazione per passaggio e la distribuzione delle fasi di lavorazione influenzino il percorso di flusso del materiale all’interno dello stampo.