Quando, durante la trafilatura a freddo, si riscontrano cricche sulla testa, sul bordo della flangia o sugli angoli arrotondati (R), la prima reazione di molti è controllare il materiale o gli stampi per la trafilatura a freddo.
Tuttavia, i difetti che si osservano sulla superficie del pezzo finito spesso rappresentano soltanto il punto in cui essi si manifestano definitivamente e non necessariamente il luogo in cui si sono originati.
Alcuni difetti si generano durante la colata continua e la laminazione, altri compaiono durante il trasporto e le operazioni di movimentazione, mentre altri ancora si aggiungono nei processi di decapaggio, trafilatura, passaggio attraverso i rulli, alimentazione e taglio.
I difetti superficiali possono essere ereditati dai passaggi precedenti oppure riprodursi nelle fasi intermedie. La trafilatura a freddo modifica la morfologia dei difetti, ma non può ripristinare la continuità del materiale già compromessa.
Iter dei difetti: billetta di colata continua → filo laminato → trasporto e movimentazione → decapaggio e rifinitura → trafilatura e passaggio attraverso i rulli → formatura mediante trafilatura a freddo
I. Fase di colata continua: le difettosità possono iniziare al di sotto della superficie del billetto
Il billetto rappresenta il punto di partenza dei tondini. Segni di vibrazione anomali, porosità sottosuperficiale, inclusioni di scoria, scabbia e avvallamenti possono tutti costituire l’origine delle successive difettosità superficiali.
Figura 1 – Segni di vibrazione anomali su un billetto di colata continua. I segni di vibrazione normalmente poco profondi non equivalgono a difetti; solo quando i segni si approfondiscono in modo anomalo o presentano fratture o inclusioni di scoria alla base, il rischio successivo aumenta significativamente.
Figura 2 – Porosità sottosuperficiale resa evidente dopo la rettifica. Durante la laminazione, le porosità possono essere compattate oppure allungate lungo la direzione di laminazione; lo stato di ossidazione delle pareti interne influisce sulla possibilità di una saldatura affidabile nelle fasi successive.
Figura 3 – Inclusioni di scoria sulla superficie o appena sotto la superficie del billetto. Le inclusioni di scoria non sono in grado di deformarsi in modo compatibile con la matrice dell’acciaio; durante la laminazione possono frantumarsi, allungarsi e trasformarsi in scabbia, pieghe o difetti lineari.
Figura 4 – Scabbia sulla superficie di un billetto. Gli aderiti metallici a forma di lamina possono, durante la laminazione successiva, essere assottigliati e inglobati nella matrice; apparentemente la superficie sembra livellata, ma l’interfaccia interna potrebbe non risultare realmente saldata.
Figura 5 – Avvallamenti sulla superficie del billetto. Il termine “avvallamento” descrive soltanto la morfologia esterna; per individuarne la causa occorre valutare attentamente gli ossidi sul fondo, il rigiro dei bordi e le fratture circostanti.
Le difettosità superficiali del billetto possono essere compattate, allungate o deviate di direzione durante il processo di laminazione. L’apparente levigatezza della superficie non implica che le discontinuità originarie siano scomparse.
II. Fase di laminazione: i difetti possono allungarsi oppure essere nuovamente generati
Le cricche nelle billette possono trasformarsi in cricche longitudinali nei tondini; le scaglie e le inclusioni possono essere assottigliate e allungate, mentre le bolle sottosuperficiali possono dar luogo ad anomalie lineari intermittenti.
Anche il processo di laminazione può originare difetti. Un riempimento non corretto delle scanalature, condizioni anomale degli organi di guida o dei giochi tra cilindri possono provocare la formazione di alettoni; se questi vengono spinti indietro verso la superficie del materiale nelle successive passate, possono dar luogo a ripiegature. Inoltre, la calamina o corpi estranei compressi nel substrato lasciano zone localmente discontinue.
Figura 6: Sezione trasversale di un difetto di ripiegatura. Lo strato superficiale del metallo risulta arrotolato a forma di lingua, senza che si sia formato un legame affidabile al contatto. La chiusura temporanea della superficie non implica l’eliminazione del difetto interno.
Figura 7: Scaglia sulla superficie del tondino. Rispetto ai comuni graffi, le scaglie presentano spesso aderenze lamellari, sollevamenti locali o tracce di distacco.
Figura 8: Sezione trasversale di una cricca superficiale del tondino. La cricca illustrata si estende dalla superficie verso l’interno del substrato; occorre ulteriore analisi per verificare se sia associata a ossidazione, decarburazione o microstrutture anomale.
L’aspetto delle ripiegature e delle cricche talvolta è simile, ma i meccanismi di formazione sono diversi. Le ripiegature si originano quando parte del metallo viene arrotolata senza formare un legame stabile; le cricche, invece, indicano una rottura già avvenuta nella continuità del materiale. Pertanto, le relative indagini retrospettive non possono essere confuse tra loro.
III. Trasporto e movimentazione: i danni da urti e sfregamenti possono diventare punti d’innesco delle cricche
Durante le operazioni di sollevamento, deposizione dei rotoli, stoccaggio e trasporto, i rotoli possono subire urti, trascinamenti o attriti reciproci, dando luogo a graffi, ammaccature e deformazioni marginali. Tali danni sono generalmente localizzati e casuali, concentrandosi spesso nella fascia esterna del rotolo o nelle aree direttamente coinvolte nelle fasi di sollevamento.
Figura 9: Danni da urto e sfregamento causati durante il trasporto o la movimentazione. La loro direzione e posizione non sono sempre ben definite e differiscono dai graffi longitudinali continui prodotti dalle matrici di trafilatura.
Per i prodotti con livelli di deformazione ordinari, lesioni lievi non comportano necessariamente effetti immediati; tuttavia, nei casi di elevata deformazione, di profili complessi o di flange sottili, le zone danneggiate possono costituire punti di concentrazione delle tensioni, amplificandosi poi durante il processo di stampaggio a freddo.
IV. Fase di decapaggio: può mettere in evidenza difetti, ma anche lasciare insidie
Dopo il decapaggio, che rimuove la scala ossidata, crepe, pieghe, scaglie e avvallamenti precedentemente coperti cominciano gradualmente a emergere. Pertanto, il fatto che un difetto venga rilevato dopo il decapaggio non implica necessariamente che esso si sia formato proprio durante questa fase.
Se la scala ossidata non viene completamente rimossa, i residui possono compromettere la formazione uniforme del film di fosfatazione e, durante la trafilatura, potrebbero frantumarsi, staccarsi o essere spinti sulla superficie del filo d’acciaio.
Figura 10: Residui di scala ossidata dopo il decapaggio. Le bande longitudinali scure devono essere distinte dai residui di ossido presenti all’interno di pieghe o crepe; non è sufficiente basarsi esclusivamente sul colore per trarre conclusioni.
Un controllo improprio della fase di decapaggio può inoltre causare corrosione localizzata e rugosità superficiale. Per stabilire se il problema derivi dall’esposizione di difetti preesistenti oppure dalla comparsa di nuovi difetti durante il decapaggio, è necessario conservare campioni sia prima sia dopo tale processo, al fine di effettuare un confronto.
V. Ritrattura: le lacerazioni longitudinali sono difetti aggiuntivi spesso sottovalutati
Il processo di ritrattura non comporta soltanto una variazione delle dimensioni del materiale, ma può anche danneggiare direttamente la superficie del filo d’acciaio.
L’usura della filiera, la presenza di scala ossidata o di trucioli metallici all’interno dei fori della filiera, il temporaneo cedimento del film lubrificante, così come le sbavature o i contatti anomali nei punti di passaggio attraverso le ruote guida e nelle parti di orientamento, possono tutti provocare lacerazioni longitudinali continue o intermittenti.
Figura 11: Lacerazioni locali prodotte dalla ritrattura. I difetti si distribuiscono lungo la lunghezza del filo d’acciaio e si accompagnano a solchi, ripiegamenti del metallo o parziali strappi superficiali.
Per lacerazioni brevi e sporadiche occorre prestare attenzione alla presenza di corpi estranei duri, ad adesioni momentanee di materiale e ai contatti localizzati; quando invece i difetti si manifestano in modo continuo su lunghe distanze e con una posizione circonferenziale relativamente fissa, è opportuno verificare con particolare attenzione la filiera, le ruote di guida e i punti di passaggio del filo.
Tuttavia, le segnature longitudinali non provengono necessariamente dalla trafilatura. Anche le crepe da laminazione, le pieghe e i residui di scala ossidata, sottoposti a trafilatura, possono assumere un aspetto simile. Ciò che occorre accertare realmente è se il difetto fosse già presente prima dell’ingresso nella trafilatura oppure se sia comparso solo a partire da una determinata filiera o da un punto di passaggio del filo.
In questo capitolo si trattano esclusivamente i danni superficiali causati dalla trafilatura. Gli effetti del tasso di riduzione della sezione, del numero di passaggi di trafilatura e dell’indurimento da lavorazione sulle proprietà di stampaggio a freddo saranno approfonditi separatamente nel capitolo VI.
VI. Parte anteriore dello stampaggio a freddo: l’ultimo difetto aggiuntivo viene spesso trascurato
Dopo l’ingresso del materiale nell’impianto di stampaggio a freddo e prima della formatura vera e propria, possono ancora comparire nuovi danni superficiali. Le ruote di passaggio, i dispositivi di raddrizzatura e i sistemi di alimentazione possono graffiare il filo d’acciaio; l’usura, i scheggiamenti e le sbavature della lama di taglio o dello stampo di taglio possono, a loro volta, danneggiare la superficie estrema o i lati del grezzo.
Se i difetti compaiono sempre nella stessa direzione e nello stesso punto, oppure se cambiano significativamente dopo la sostituzione delle ruote di passaggio o della lama di taglio, non è sufficiente limitarsi a riesaminare il certificato del materiale e il coil originale.
7. Perché i difetti si “tramandano” fino al prodotto finito?
La trafilatura provoca l’allungamento del materiale lungo la direzione assiale, mentre la stampaggio a freddo comporta una compressione assiale e un flusso radiale del materiale. I difetti preesistenti possono allungarsi, assottigliarsi o temporaneamente chiudersi; inoltre, seguendo il flusso del materiale, possono spostarsi verso la testa, la flangia o gli angoli arrotondati (R), per poi riaprirsi nelle zone di elevata deformazione.
Figura 12: Crack sul bordo della flangia del pezzo finito ottenuto per stampaggio a freddo. L’immagine mostra la posizione in cui il difetto si manifesta definitivamente; tuttavia, non è possibile dedurre esclusivamente dall’aspetto esteriore che il difetto provenga necessariamente dal materiale stesso.
I difetti longitudinali presenti sul filo metallico, una volta giunti al prodotto finito, non mantengono sempre la loro forma lineare originaria. Possono manifestarsi come fessurazioni ai margini della testa, pieghe sulla flangia, cricche negli angoli arrotondati (R) o avvallamenti localizzati; la posizione precisa dipende dalla struttura del componente, dalla direzione di taglio e dalle modalità di flusso del materiale.
I difetti non si riproducono semplicemente nel prodotto finito, ma continuano a persistere modificando la propria morfologia a ogni fase di lavorazione.
8. Per individuare la fonte dei difetti, è fondamentale rintracciare il momento della loro “prima comparsa”
Isufficiente esaminare soltanto i pezzi finalmente criccati per stabilire da quale fase di lavorazione provengano i difetti. Un metodo di indagine più efficace consiste nel creare una catena di campioni lungo tutto il processo, partendo dal billetta, passando per le bobine di filo, il materiale dopo il decapaggio, i semilavorati della trafilatura, i grezzi per lo stampaggio a freddo e infine il prodotto finito, al fine di individuare la fase in cui il difetto compare per la prima volta.
Gli anomalie si concentrano in un determinato tratto della bobina oppure si presentano in modo continuo lungo tutta la bobina? La direzione e la posizione circonferenziale del difetto sono fisse? Cambiano dopo la sostituzione dello stampo, delle ruote di passaggio o delle lame di taglio? Tutto’interno delle cricche sono presenti ossidazione, decarburazione o linee di flusso metallografico anomale? Tutte queste informazioni possono orientare le attività di ricerca, ma non devono essere utilizzate separatamente dai registri di produzione.
Opinione dell’ingegnere
I difetti superficiali possono originare durante la colata continua, la laminazione, il trasporto, il decapaggio e la rilavorazione tramite trafilatura; possono inoltre formarsi durante le fasi di passaggio, alimentazione e taglio della macchina per lo stampaggio a freddo.
Il fatto che il prodotto finito presenti una cricca in un certo punto non implica che il difetto si sia generato proprio lì.
I difetti del prodotto finito sono la conseguenza; solo individuando la fase in cui il difetto appare per la prima volta possiamo avvicinarci alla sua vera origine.
L’obiettivo della tracciabilità dei difetti non è quello di attribuire preventivamente le responsabilità, bensì di costruire una catena completa di evidenze relative a tutte le fasi di lavorazione.
Se anche voi riscontrate noduli sulle bobine di filo, graffi longitudinali, pieghe o occasionali fratture durante lo stampaggio a freddo, potete inviarmi informazioni quali la qualità del materiale, le specifiche tecniche, fotografie dei difetti, le postazioni interessate e la distribuzione delle anomalie. Potrò così aiutarvi a valutare se sia opportuno avviare le verifiche a partire dalle materie prime fornite dall’acciaieria, dalla protezione durante il trasporto, dal processo di decapaggio e rilavorazione, oppure dagli aspetti relativi alle attrezzature per lo stampaggio a freddo.
Prossimo appuntamento
Capitolo 6: «Perché lo stesso materiale presenta comportamenti diversi dopo la trafilatura e lo stampaggio a freddo?»
Nel prossimo capitolo ci concentreremo su come il grado di riduzione della sezione, il numero di passaggi nella trafilatura e l’indurimento da lavorazione influiscano sullo stato effettivo del materiale quando entra nella macchina per lo stampaggio a freddo.