Danneggiamenti dei cuscinetti
I cuscinetti sono classificabili in due grandi gruppi: i cuscinetti radenti e i cuscinetti volventi.
I cuscinetti radenti sono impiegati per agevolare il moto relativo tra due superfici che scorrono l’una sull’altra e per mantenere l’allineamento tra i componenti di un sistema cinematico. Devono adattarsi ai componenti meccanici con tolleranze assai strette. Le loro superfici d’accoppiamento possono essere cilindriche (per il movimento di rotazione o di traslazione lungo un asse), o sferiche (per rotazioni su più assi, come nei bracci di torsione dei robot). Devono lavorare per tempi lunghi, come negli orologi, e/o sopportare frequenti arresti, come i cardini delle porte. Possono lavorare a secco (macchine fotografiche) o essere lubrificati (pompe per liquidi).
La tribologia (scienza che studia il comportamento delle superfici accoppiate), consiglia d’usare materiali diversi e di diversa durezza, per ridurre l’attrito radente e facilitare il moto e per ridurre il rischio di grippaggio, che si manifesta frequentemente in assenza d’adeguata lubrificazione delle superfici accoppiate di materiale analogo e simile durezza. Per queste ragioni i materiali con cui si fabbricano i cuscinetti radenti possono essere: polimeri, metalli bianchi antifrizione, leghe di rame (bronzi) e leghe d’alluminio.
I polimeri sono materie plastiche o più propriamente polimeri organici o resine, generalmente rigide e rese plastiche con opportune aggiunte di additivi plastificanti. Sono fra i materiali più economici e più lavorabili, possono essere caricati con metalli, fibre di vetro, materiali ceramici e altro ancora, per aumentarne la durezza e la resistenza all’abrasione. Possiedono due caratteristiche intrinseche negative: bassa conducibilità termica, per cui si surriscaldano facilmente, e bassa durezza, per cui si deformano facilmente a freddo.
I metalli bianchi antifrizione (o leghe Babbit), adatti per la fabbricazione dei cuscinetti radenti, sono essenzialmente due tipi di leghe: di stagno e di piombo. Entrambe sono tenere e fondono a bassa temperatura, perciò non sopportano alte pressioni specifiche, né alta temperatura d’esercizio.
I bronzi per cuscinetti sono leghe rame-stagno o rame-alluminio, contenenti piombo. La resistenza meccanica a temperatura ambiente e ad alta temperatura è maggiore per i bronzi d’alluminio, che però sono più sensibili al grippaggio. I bronzi allo stagno ne contengono fino al 20 %; quelli all’alluminio fino al 10-12 % e contengono anche ferro, nichel, silicio e manganese.
Le leghe d’alluminio per cuscinetti contengono fino al 7 % di stagno, 1 % di rame e 2 % di silicio. Sono leghe tenere che richiedono notevoli spessori di supporto; resistono bene alla corrosione.
I cuscinetti radenti necessitano di un’adeguata lubrificazione e filtrazione dei fluidi lubrificanti, pena il loro rapido deterioramento.
Oltre alle solite fasi, comuni a tutti i casi di diagnosi di difetto (raccolta dei dati, osservazioni preliminari e successive di pezzi danneggiati, pianificazione degli esami da condurre, ecc.), nel caso dei cuscinetti radenti devono essere considerati alcuni esami specifici, quali: identificazione dell’olio lubrificante usato; indagine sullo stato dell’olio; raccolta e riconoscimento dell’eventuale particolato presente nell’olio e/o sul cuscinetto danneggiato tramite la tecnica d’analisi definita ferrigrafia.
Le cause più comuni del danneggiamento dei cuscinetti radenti sono: l’usura, la fatica, i fenomeni elettrostatici, il fretting, la corrosione, la corrosione-fatica e la cavitazione.
L’usura dei cuscinetti radenti è generalmente progressiva e solo nello stadio avanzato può portare alla rottura dei particolari usurati. È la causa più grave e frequente d’avaria dei cuscinetti radenti. Può avvenire per eccesso di carico, cattiva lubrificazione, surriscaldamento, presenza di particolato estraneo nel lubrificante. Può essere adesiva, abrasiva, da fretting, di fatica da contatto e usura-corrosione.
Le fratture di fatica sono la causa più comune di tutti i componenti in movimento, sollecitati dinamicamente. Anche i cuscinetti radenti ne sono affetti.
Scintille o scariche elettrostatiche si possono manifestare per l’accumulo di cariche elettriche dovute ai lubrificanti, normalmente dielettrici, e alle superfici albero-cuscinetto in movimento reciproco. Le scariche elettrostatiche possono causare la microfusione e l’alterazione delle caratteristiche locali dei cuscinetti o degli alberi accoppiati; difetti puntiformi, ben riconoscibili con gli esami micrografici. Le aree danneggiate sono spesso l’origine di altri tipi di danneggiamento o di frattura.
Il fretting (microsfregamento) non si deve confondere con l’usura abrasiva, perché dipende da micro movimenti indesiderati tra due superfici accoppiate e di solito bloccate fra loro, dovuti alle vibrazioni, ma anche al cattivo allineamento o serraggio dei pezzi accoppiati. Gli spostamenti relativi sono meno che micrometrici (0,05÷0,1 mm) e favoriscono il grippaggio, la corrosione, il surriscaldamento e possono portare alla rottura per fatica dei pezzi. Il fretting è spesso la principale causa del danneggiamento fino alla frattura per fatica.
Le cause della corrosione possono essere molteplici. Nel caso dei cuscinetti radenti la corrosione dipende da alterazioni delle caratteristiche dei fluidi lubrificanti, dall’inquinamento con sostanze estranee, dall’accoppiamento di metalli con diverso potenziale elettrochimico. La corrosione favorisce l’usura e la fatica. La corrosione-fatica si manifesta quando a uno stato di sollecitazione ciclica si somma la corrosione dovuta ad un ambiente aggressivo. I fenomeni sono sinergici e accelerano il danneggiamento dei cuscinetti che ne sono colpiti. Sebbene la cavitazione sia un fenomeno tipico delle superfici metalliche lambite da un liquido in moto turbolento (eliche e tubazioni), questo fenomeno può manifestarsi anche nei cuscinetti radenti. La cavitazione genera un’erosione catastrofica delle superfici metalliche. È dovuta all’implosione di bolle di vapore, generate nei moti turbolenti del lubrificante, che provoca onde d’urto devastanti.
Caso di danneggiamento per corrosione fatica in ambiente marino
Danneggiamenti dei Cuscinetti
Un cuscinetto di supporto di un’aletta idrodinamica si ruppe dopo 220 ore d’esercizio (figura 1). Il cuscinetto era costituito da un anello esterno d’acciaio inossidabile AISI 416 (X10CrS13) cromato e da un anello interno sagomato, costruito con acciaio inossidabile AISI 440 C (X100Cr17). Tra i due anelli era interposto un anello distanziale di plastica, vincolato all’anello esterno. L’anello interno del cuscinetto si ruppe in quattro parti, con altri inneschi di frattura, portò alla totale distruzione dell’anello di plastica. L’esame visivo identificò la fatica quale causa delle fratture (figura 1) innescate su punti di corrosione intergranulare (figura 2), dovuti all’acqua salata. Per evitare il ripetersi del danneggiamento fu consigliato l’uso dell’acciaio inossidabile indurente per precipitazione 17-4PH (AISI 630), assai più resistente alla corrosione in acqua di mare.
Figura 1 A sinistra: cuscinetto formato dall’anello esterno, d’acciaio AISI 416 bonificato a 31 HRC, anello sferico interno, d’acciaio AISI 440C temprato e disteso a 60÷62 HRC e cromato, e anello distanziale di plastica. Posizione delle quattro fratture dell’anello interno. A destra: aspetto di una superficie di frattura di fatica dell’anello sferico interno del cuscinetto. Le frecce indicano i punti d’innesco.
Figura 2.Sezione micrografica dell’anello sferico interno del cuscinetto di figura 1, d’acciaio AISI 440C. Corrosione intergranulare dovuta all’acqua salata, causa dell’innesco delle fratture di fatica.
Caso di danneggiamento di fatica da contatto di un cuscinetto bimetallico
Danneggiamenti dei Cuscinetti
In figura 3 è ripresa la superficie interna di un cuscinetto bimetallico, costituito da un semianello d’acciaio con strato interno di lega Babbit (metallo bianco antifrizione). Il danneggiamento è avvenuto in modo progressivo con distacco del metallo bianco tenero dal supporto duro. Tale danneggiamento può avvenire anche quando la lubrificazione, sebbene presente, generi un film troppo sottile che porta al surriscaldamento locale e al cedimento del cuscinetto.
Figura 3 Superficie interna di un cuscinetto bimetallico, acciaio – lega Babbit, danneggiato per fatica da contatto
I cuscinetti volventi trasformano il moto radente in volvente, interponendo sfere o rulli che rotolano sulle superfici in movimento relativo. Così si riduce l’attrito radente in attrito volvente, assai inferiore. Il vantaggio in termini pratici è enorme.
I cuscinetti volventi sono a sfere o a rulli. Quelli a sfere sono classificabili nei tipi a contatto radiale e a contatto angolare, o a spinta. Nei primi il trasferimento del moto è essenzialmente torsionale. In quelli a spinta è essenzialmente assiale. Quelli a rulli, per la maggior superficie di contatto rispetto alle sfere, possono sopportare maggiori sforzi. I metalli usati per la fabbricazione dei cuscinetti devono possedere:
- elevata durezza, per reggere l’usura e gli elevati carichi specifici;
- elevata purezza, perché ogni inclusione, affiorante o sotto pelle, può innescare fratture di fatica da contatto.
Per queste ragioni i cuscinetti volventi sono costruiti con acciai da tempra a cuore, che tipicamente possiedono l’1 % di carbonio nominale, acciai da cementazione, acciai da bonifica ad alto carbonio, acciai inossidabili martensitici e acciai alto legati resistenti ad alta temperatura, fabbricati con rifusione sotto elettroscoria (ESR – Electro Slag Remelting) o con procedimenti che consentono di raggiungere un alto grado di purezza. La durezza superficiale richiesta è superiore a 60 HRC; infatti, a durezza < 58 HRC aumenta sensibilmente l’attrito volvente, la tendenza alla brinellatura, o deformazione statica dovuta alla penetrazione delle sfere o rulli sulle piste di rotolamento, e diminuisce la resistenza alla fatica da contatto. Per l’impiego ad alta temperatura è necessario usare acciai da utensili quali gli acciai rapidi, che garantiscono ancora una sufficiente durezza a temperatura fino a 700 °C. In tutti gli altri casi la temperatura d’esercizio non dovrebbe superare i 150 °C, pena la diminuzione delle caratteristiche meccaniche e precoce avaria del cuscinetto. Bisogna ricordare che l’olio lubrificante perde le caratteristiche intrinseche dei lubrificanti con l’aumentare della temperatura e sebbene opportunamente additivato possiede una temperatura massima d’esercizio di circa 300 °C. Usando lubrificanti solidi (per esempio bisolfuro di molibdeno e grafite) è possibile raggiungere temperature d’esercizio assai maggiori. Per applicazioni in ambienti corrosivi si usano acciai inossidabili martensitici. Anche la tenacità dell’acciaio, purtroppo bassa degli acciai a piena tempra, è un problema. I concetti della meccanica della frattura sono particolarmente utili per risolvere problemi specifici.
I tipi di danneggiamento e frattura dei cuscinetti volventi sono relativamente pochi, anche se i fenomeni possono essere gli stessi già citati per quelli radenti, cioè: l’usura, la fatica, i fenomeni elettrostatici, il fretting, la corrosione, la corrosione-fatica, cui si aggiungono errori d’accoppiamento e disallineamento con gli alberi di trasmissione. Le raccomandazioni sulla procedura generale per la conduzione delle diagnosi di difetto dei cuscinetti volventi richiedono un’attenta osservazione delle fratture, o dei pezzi danneggiati. Fondamentale è riconoscere il tipo di danneggiamento, la presenza di aloni colorati, di particolato e di inclusioni. Va posta anche particolare attenzione alle condizioni di carico, velocità di rotazione, lubrificazione, temperatura d’esercizio e possibili fonti d’inquinamento.
L’usura dei cuscinetti volventi, quando severa, è un difetto facilmente rilevabile per il rumore, le vibrazioni, la perdita d’efficienza e l’aumento anomalo di particolato nel lubrificante. Un meccanismo che innesca l’usura dei cuscinetti, sebbene limitato al settore delle ferrovie e tranvie, è la scarica elettrica. Le cariche elettrostatiche, ma soprattutto le correnti elettriche possono scaricarsi a terra attraverso i cuscinetti e modificare la microstruttura e la durezza (formazione di aree martensitiche) con innesco di microcricche che portano all’usura o ad altri meccanismi di danneggiamento.
Il fretting avviene quando due superfici a contatto, nominalmente senza moto relativo tra loro, sono soggette a micro movimenti per vibrazioni, ovvero moto relativo assai limitato. Tale movimento crea, per l’appunto, questo particolare tipo di danneggiamento a cuscinetto fermo, detto anche falsa brinellatura (effetto di “coniatura” tra le parti a contatto), ossidazione da frizione e l’innesco di cricche di fatica.
La corrosione delle parti mobili del cuscinetto volvente, che dipende spesso dall’inquinamento del fluido lubrificante blandamente corrosivo, accelera l’usura. Se il fluido che avvolge il cuscinetto è molto aggressivo, il danneggiamento per corrosione è preminente e porta inevitabilmente all’avaria del cuscinetto favorendo anche per altre cause concomitanti.
Nonostante le superfici dei cuscinetti siano assai dure (durezza ³ 60 HRC), possono essere deformate plasticamente per coniatura. Questi fenomeni avvengono generalmente per sovraccarico statico o dinamico. Nel primo caso si parla di effetto brinelling o brinellatura, in analogia con la prova di durezza Brinell dove la sfera del penetratore deforma le superfici piane per coniatura lasciando un’impronta a calotta sferica. Quando i cuscinetti sono sovraccaricati oltre un certo limite e restano fermi, le sfere coniano, anche se poco, le superfici degli anelli. Queste piccole deformazioni sono la causa di vibrazioni e surriscaldamenti che favoriscono i fenomeni di fatica. Un esempio di tale danneggiamento è illustrato in figura 4
Figura 4. Effetto brinelling o deformazione plastica della superficie dell’anello di un cuscinetto a rulli, eccessivamente caricato da fermo.
Quando il sovraccarico avviene con il cuscinetto in movimento si crea invece una pista deformata che, progressivamente, crea variazioni dimensionali, vibrazioni, pitting e definitiva avaria del cuscinetto.
La fatica da contatto è il danneggiamento più comune dei cuscinetti volventi e dipende dalla compressione ciclica cui sono soggette le superfici degli anelli e delle sfere o rulli durante l’esercizio. In pratica la pista di rotolamento delle sfere è sede di un processo di fatica che prima o poi porta alla rottura dei pezzi per pitting: caso specifico la rottura per fatica che si manifesta con frattura subcorticale, che si propaga parallela alla superficie, fino al cedimento del guscio rotto e distacco progressivo di frammenti della pista di rotolamento, dalla sfera o rullo e formazione di vaiolatura (figura 5). Le principali cause del danneggiamento da fatica superficiale sono: le inclusioni non metalliche per formazione di buttefly (figura 6), l’eccessivo carico applicato al cuscinetto, l’insufficiente durezza e resistenza a trazione, l’insufficiente tenacità delle parti e infine l’eccessiva durata in esercizio richiesta al cuscinetto.
Figura 5. A sinistra: sfera per cuscinetto d’acciaio al carbonio C60 temprato e disteso a 60 HRC, fortemente danneggiata per usura di fatica da contatto (pitting). 2 x circa. Al centro: Aspetto della superficie della sfera danneggiata dal pitting le cui caratteristiche morfologiche sono poco o punto riconoscibili per l’eccessivo danneggiamento. 50 x circa. A destra: fatica da contatto con innesco subcorticale (pitting) osservabile sulla sezione simmetrica della sfera. Cricca subcorticale parallela alla superficie, poi propagata perpendicolarmente fino alla superficie in più punti. Nessun attacco 200 x circa.
Figura 6. Tipico aspetto di una buttefly (farfalla) innescata da un’inclusione subcorticale in un cuscinetto volvente. L’area chiara è martensite tetragonale dovuta al surriscaldamento per attrito delle superfici delle microfratture che scorrono ad ogni sollecitazione di compressione.
La fatica da contatto si manifesta anche con innesco della frattura in superficie (spalling, quando oltre al rotolamento, le sfere o i rulli strisciano sulla superficie (figura 7). Un montaggio imperfetto (sedi cuscinetto e raccordi inadatti) e il disallineamento cuscinetto – albero di trasmissione possono accelerare entrambi i fenomeni di pitting e spalling.
Figura 7. Tipica morfologia della fatica da contatto che ha portato alla scheggiatura (spalling) delle sfere e della ralla esterna di un cuscinetto volvente. A sinistra: sfere danneggiate eterogeneamente il chè presupopone che slittino parzialmente. Al centro: ralla esterna danneggiata. A destra tipico aspetto del danneggiamento per spalling.
Alcuni autori distinguono tre tipi di danneggiamento di fatica da contatto con frattura subcorticale (rolling contact fatigue) in:
- pitting, se il danneggiamento si manifesta in piccoli crateri separati anche se allineati;
- flacking, quando il danneggiamento assume un aspetto continuo anche se limitato;
- spalling, se il danneggiamento è particolarmente severo.
