In molte aziende la stessa partita di materiale rispetta le specifiche di composizione chimica, proprietà meccaniche e dimensioni riportate sul certificato. Può superare anche tutte le prove di un laboratorio esterno. Una volta in produzione, tuttavia, possono comparire cricche, ripiegature, riempimento insufficiente dei raccordi, durata anomala degli stampi o variazioni dimensionali tra i pezzi.
Il materiale è difettoso? Non si può concluderlo dalla sola presenza di questi problemi. La norma di prodotto risponde a una domanda: questa partita rispetta i requisiti? Il processo di stampaggio a freddo ne pone un’altra: questa partita consente una produzione stabile nel tempo, con poca variabilità, sulle nostre macchine, con i nostri stampi, la nostra lubrificazione e il nostro ciclo?
1. Che cosa controlla una norma sul materiale?
Le norme SAE, JIS, EN, ASTM e ISO definiscono i requisiti tecnici di base. Per i materiali destinati allo stampaggio e all’estrusione a freddo possono riguardare:
- composizione chimica;
- dimensioni e scostamenti ammessi;
- proprietà meccaniche;
- qualità superficiale;
- stato di fornitura;
- metodi di controllo;
- quando previsto, decarburazione, inclusioni, microstruttura o altri requisiti aggiuntivi.
Per esempio, SAE J403 disciplina le composizioni degli acciai al carbonio SAE; JIS G 3507 riguarda vergella e filo d’acciaio al carbonio per stampaggio a freddo; la serie EN 10263 riguarda gli acciai per stampaggio ed estrusione a freddo. ISO 4967 e ISO 3887 trattano rispettivamente la valutazione delle inclusioni non metalliche e la profondità di decarburazione.
Le norme stabiliscono un linguaggio comune per la qualità. La conformità attesta il rispetto delle condizioni della norma o dell’accordo tecnico applicabile. Non garantisce che ogni componente si possa stampare con qualsiasi attrezzatura o processo.
2. Lo stampaggio a freddo dipende dall’intero sistema
È una lavorazione per deformazione plastica massiva, a temperatura ambiente o prossima ad essa. Nello stampo il metallo subisce compressione, flusso radiale, trazione locale, taglio e attrito. La stabilità del risultato dipende dal materiale e dall’intero sistema:
- geometria del componente e progetto dello stampo;
- raggi di raccordo e sequenza delle operazioni;
- deformazione per stazione e deformazione totale;
- coassialità degli stampi e rigidezza della macchina;
- velocità di formatura e temperatura dello stampo;
- lubrificazione, sezione iniziale e stato di fornitura prima dello stampaggio.
Una bobina può quindi avere un comportamento diverso su altre macchine, in altre aziende o con altri stampi. Oltre alla conformità, occorre verificare la compatibilità tra materiale, trattamento superficiale, lubrificazione, stampi, attrezzature e ciclo.
3. Il grado non basta a prevedere la stabilità di formatura
Verificare se l’acciaio sia SCM435 o SWRCH22A e se la composizione rientri nei limiti è necessario. Il grado descrive solo una parte delle caratteristiche che determinano il comportamento in produzione.
Composizione e segregazione
Un grado ammette intervalli di composizione. Due partite conformi possono presentare tenori diversi di C, Mn, Cr, Mo o B e quindi resistenza alla deformazione, risposta alla ricottura di globulizzazione e comportamento al successivo trattamento termico differenti. Segregazione centrale, struttura a bande e disomogeneità chimica meritano particolare attenzione per diametri maggiori, deformazioni elevate o elementi di fissaggio ad alta resistenza. Conta anche la stabilità della composizione.
Pulizia dell’acciaio e inclusioni non metalliche
La produzione dell’acciaio non consente di eliminare del tutto le inclusioni. Un livello ammesso per impieghi ordinari può comunque contenere inclusioni localmente grossolane, allungate o raggruppate. In pezzi molto deformati, componenti automobilistici di sicurezza o pezzi sensibili alla fatica, queste possono innescare cricche. I metodi ISO 4967 e GB/T 10561 aiutano a valutare possibili inneschi durante la deformazione, oltre a fornire un grado di pulizia.
Microstruttura globulizzata
Per gli acciai a medio carbonio, legati o per cuscinetti, lo stato dopo la ricottura di globulizzazione influisce sulla formabilità. Oltre al grado di globulizzazione, si valutano finezza e distribuzione dei carburi, eventuali carburi grossolani, struttura a bande, uniformità della matrice ferritica e differenze tra cuore e superficie. Una globulizzazione insufficiente aumenta la resistenza alla deformazione; una globulizzazione disomogenea può alterare il flusso locale del materiale.
Qualità superficiale e decarburazione
Lo strato superficiale subisce forte deformazione plastica. Cricche, ripiegature, rigature di trafilatura, impronte, decapaggio eccessivo e decarburazione locale possono aggravarsi durante la lavorazione. Cricche e ripiegature possono essere poco visibili al controllo iniziale e propagarsi rapidamente con grandi deformazioni. Per i componenti più esigenti, resistenza a trazione e durezza da sole non bastano.
Stato dopo la trafilatura
Una o più passate di trafilatura cambiano diametro, incrudimento, tensioni residue, differenza di durezza tra superficie e cuore, orientamento della microstruttura e stato superficiale. A parità di vergella, riduzione di sezione, sequenza delle passate, angolo delle filiere e lubrificazione possono dare risultati differenti. Due trasformatori possono quindi ottenere fili con comportamento diverso a partire dalla stessa vergella di acciaieria.
4. Rivestimento fosfato-sapone e capacità di macchina e stampo
La pressione di contatto, la deformazione e l’attrito rendono determinanti il sistema di lubrificazione e le capacità della macchina e dello stampo.
Rivestimento fosfato-sapone
La fosfatazione seguita dalla saponatura crea il sistema lubrificante normalmente impiegato sul filo d’acciaio per stampaggio a freddo. Si valutano lubrificazione, capacità di seguire la deformazione, compattezza, uniformità, adesione e capacità di trattenere olio o sapone.
- La lubrificazione riduce attrito e resistenza al taglio. Se manca, aumentano carichi, temperatura superficiale e usura; il flusso è ostacolato e possono comparire rigature, grippaggio o cricche.
- La capacità del rivestimento di deformarsi insieme al metallo evita fessurazioni e perdita di protezione nelle zone più deformate.
- Compattezza e uniformità limitano gli aumenti improvvisi dell’attrito locale. La massa media del rivestimento non basta: controllare continuità della copertura, uniformità dei cristalli, zone scoperte, rugosità adatta alla saponatura e coerenza tra testa, centro e coda della bobina.
- Una scarsa adesione può causare distacco già nella prima stazione, lasciando quelle successive con meno lubrificante. Segnali possibili: polverizzazione, ampie zone di distacco, accumulo di polvere nello stampo, rigature, grippaggio e usura anomala. Verificare la tenuta del rivestimento sotto elevata pressione di contatto.
- La struttura del fosfato sostiene e trattiene il lubrificante, così il sapone può agire oltre la prima deformazione. Lo strato fosfatico fa da supporto: il sistema funziona grazie allo stato del substrato, al fosfato, al sapone e alla lubrificazione dello stampo.
Alimentazione del lubrificante
Anche con un buon rivestimento, lo stampo deve ricevere lubrificante in modo costante durante la produzione ad alta velocità. Verificare arrivo nelle zone più deformate, stabilità della portata, diminuzione tra stazioni, variazioni di viscosità con la temperatura, zone non raggiunte e reintegro alla velocità effettiva. Per materiali ad alta resistenza e pezzi molto deformati o a più stazioni, carichi anomali, rigature, aumento della temperatura e rapida usura degli stampi possono precedere le cricche.
Controllo termico
Il lavoro di deformazione e l’attrito generano calore anche nello stampaggio a freddo. Un raffreddamento insufficiente fa salire la temperatura locale e può modificare viscosità, attrito, dimensioni e resistenza dello stampo, durata dell’attrezzatura e ripetibilità dimensionale del pezzo.
Conta raggiungere un equilibrio termico stabile. Se lo stampo si trova in condizioni molto diverse nei primi 1.000 pezzi e dopo 100.000 pezzi in produzione continua, il prodotto può cambiare anche con materiale identico. Oltre alla velocità, servono lubrificazione costante, dissipazione del calore e controllo termico.
Geometria dello stampo, rigidezza e coassialità
Raccordi troppo piccoli, deformazione locale concentrata, riduzione eccessiva in una stazione o percorsi troppo lunghi di flusso possono concentrare le deformazioni. Imprecisione della slitta, disallineamento, scarsa rigidezza o gioco eccessivo delle guide possono produrre carichi eccentrici e cricche anche con materiale conforme. Una partita stabile su una macchina può quindi dare problemi su un’altra.
5. Perché la conformità non garantisce l’idoneità a un processo?
La norma stabilisce le condizioni che il materiale deve rispettare. La produzione dipende da come interagiscono materiale, trattamento superficiale, lubrificazione, stampi, attrezzature, temperatura, ciclo e geometria del pezzo. La conformità è uno dei requisiti di ingresso: per una produzione stabile occorre verificare la compatibilità di tutto il sistema.
6. La fornitura di materiale va oltre il certificato
Per i progetti più esigenti, Creation Group valuta il comportamento del filo nello stampo del cliente. Oltre alla composizione (C, Mn, Si, Cr, Mo e altri elementi), verifica secondo il progetto:
- microstruttura globulizzata e uniformità, inclusioni non metalliche, decarburazione e superficie;
- riduzione di sezione in trafilatura e incrudimento;
- uniformità, compattezza e adesione del fosfato, effetto lubrificante del sapone e capacità del rivestimento di seguire la deformazione;
- deformazione effettiva, sequenza delle stazioni e condizioni di lubrificazione dello stampo;
- velocità della macchina, stato termico degli stampi e requisiti del successivo trattamento termico.
La conformità del rapporto di prova è un punto di partenza. L’obiettivo è che il cliente possa produrre con stabilità nel tempo.
La prospettiva ingegneristica
La norma stabilisce se il materiale è conforme; la verifica ingegneristica stabilisce se il processo produce in modo stabile. Materiale, rivestimento, lubrificazione, stampi, macchine e ciclo agiscono insieme. Una buona soluzione deve consentire una formatura ripetibile e con poca variabilità nelle condizioni effettive del progetto.
Norme e riferimenti
- SAE J403: composizioni chimiche degli acciai al carbonio SAE.
- ASTM A510/A510M: requisiti generali per vergella e filo tondo d’acciaio di grosso diametro.
- JIS G 3507: vergella e filo d’acciaio al carbonio per stampaggio a freddo.
- EN 10263: acciai per stampaggio ed estrusione a freddo.
- ISO 4967: valutazione microscopica delle inclusioni non metalliche nell’acciaio.
- ISO 3887: determinazione della profondità di decarburazione dell’acciaio.
- ASM Handbook, Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming: riferimento per stampaggio ed estrusione a freddo e deformazione massiva.
Prove e limiti possono variare secondo materiale, prodotto e accordo tecnico. Fornitura e accettazione si valutano secondo la norma specificata nell’ordine e i requisiti tecnici del cliente.
Creation Group
Creation Group si occupa di fili per stampaggio a freddo, fili profilati e materiali per applicazioni di formatura a freddo con requisiti elevati. Coordina microstruttura, trattamento superficiale, precisione dimensionale e proprietà meccaniche con il processo effettivo del cliente per contribuire alla stabilità della produzione. L’obiettivo è capire come si comporterà il filo una volta entrato nello stampo.