Tribological behaviour of high thermal conductivity tool steels for hot stamping

In the last years, the use of High Strength Steels (HSS) as structural parts in car manufacturing, has rapidly increased thanks mainly to their favourable strength to weight ratios and stiffness, which allow a reduction of the fuel consumption to accommodate the new restricted regulations for CO2 emissions control, but still preserving or even enhancing the passengers’ safety. However, the formability at room temperature of HSS is poor, and for this reason, complex-shaped HSS components are produced applying the plastic deformation of the sheet metal at high temperature. The use of hot stamping technology, which was developed during the 70’s in Sweden, has become increasingly used for the production of HSS for the car body-in-white. By using this technology, several improvements have been made, if compared with the forming at room temperature, such as the reduction of spring back and the forming forces, the production of more complex shapes, a more accurate microstructure control of the final piece and the achievement of components with high mechanical properties. The hot stamping process of HSS parts consists mainly in heating a metal sheet up to austenitization temperature and then a simultaneous forming and hardening phase in closed dies, water-cooled, to obtain a fully martensitic microstructure on the final components; in this way, ultimate tensile strength passes from 600 MPa up to 1500-1600 MPa. Anyway, several tribological issues arise when the die and metal sheet interact during the forming process at elevated temperatures; the absence of any types of lubricant due to elevate process temperature and in order to preserve the quality of the part for the later stages of the process chain, leads to high friction forces at interface; moreover, and the severe wear mechanisms together with surface damage of forming dies, can alter the quality of the component and can also have an high impact on the process economy due to frequent windows-maintenance or reground of tools. Furthermore, considering that the thermal conductivity of the die material influences the cooling performance, obtained during the quenching phase, and being the quenching time the predominant part of the cycle time, the productivity of the process is influenced too. On this base tool steels play a capital role in this process, as they strongly influence the properties of the obtained final product and have a strong impact to investment and maintenance costs. The survey of the technical and scientific literature shows a large interest in the development of different coatings for the blanks from the traditional Al-Si up to new Zn-based coating and on the analysis of hard PVD, CVD coatings and plasma nitriding, applied on dies. By contrast, fewer investigations have been focused on the development and test of new tools steels grades capable to improve the wear resistance and the thermal properties that are required for the in-die quenching during forming. The research works reported are focused on conventional testing configurations, which are able to achieve fundamental knowledge on friction behaviour, wear mechanisms and heat transfer evaluation, with both a high accuracy for the process parameters and less information about situations that replicate the thermal-mechanical conditions to which the forming dies are subject during the industrial process. Alternatively, the tribological performance have been studied through costly and time-consuming industrial trials but with a lower control on process parameters. Starting from this point of view, the main goal of this PhD thesis is to analyse the tribological performance in terms of wear, friction and heat transfer of two new steel grades for dies, developed for high-temperature applications, characterized by a High Thermal Conductivity with the purpose to decrease the quenching time during the hot stamping process chain and overcome the limits in terms of process speed. Their performances are compared with a common die steel grade for hot stamping applications. To this aim, a novel simulative testing apparatus, based on a pin on disk test, specifically designed to replicate the thermo-mechanical cycles of the hot stamping dies, was used to evaluate the influence of different process parameters on the friction coefficient, wear mechanisms and heat transfer at interface die-metal sheet. Unlike other research works reported in the literature, which individually analyse the friction, the wear mechanisms and thermal aspects, by means of the methodology used in this thesis, the tribological characterization as a whole is obtained by means of a single approach, in order to analyse the simultaneous global evolution of the tribological system.

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.