L’esigenza crescente di migliorare l’affidabilità in tutti i settori industriali impone agli ingegneri di considerare tutti i componenti delle loro apparecchiature. I sistemi a cuscinetti sono elementi critici in una macchina e il loro guasto potrebbe avere conseguenze catastrofiche e costose.
Un sistema di cuscinetti comprende molti elementi, tra cui ad esempio sfere, anelli, gabbie e lubrificazione. I cuscinetti standard in genere non resistono al rigore degli ambienti difficili, e quindi è necessario prestare particolare attenzione ai singoli componenti.
Il funzionamento alle alte temperature
Le applicazioni ad alta temperatura, come quelle utilizzate nei sistemi di attuazione nell’industria aerospaziale, possono presentare sfide che riguardano i cuscinetti standard. Inoltre, poiché le unità diventano sempre più piccole e richiedono una maggiore potenza, aumentano le temperature all’interno delle apparecchiature, e ciò costituisce un problema per un normale cuscinetto.
Lubrificazione
In questo contesto la lubrificazione costituisce un aspetto importante. Gli oli e i grassi sono caratterizzati da temperature massime di esercizio in corrispondenza delle quali inizieranno a degradarsi e a evaporare rapidamente, portando al guasto del cuscinetto. I grassi standard sono spesso soggetti a un limite massimo di temperatura di circa 120°C, e alcuni grassi convenzionali per le alte temperature sono in grado di resistere fino a 180°C.
Tuttavia, per le applicazioni che richiedono temperature ancora più alte, sono disponibili grassi lubrificanti speciali fluorurati che possono raggiungere temperature superiori a 250°C. Laddove non è possibile la lubrificazione liquida, la lubrificazione solida costituisce un’opzione che consente un funzionamento affidabile a bassa velocità e a temperature ancora più elevate. In questo caso sono raccomandati come lubrificanti solidi il disolfuro di molibdeno (MOS2), il disolfuro di tungsteno (WS2), la grafite o il politetrafluoroetilene (PTFE), in quanto sono in grado di tollerare temperature molto elevate per periodi di tempo più lunghi.
Materiali
In presenza di temperature superiori ai 300°C, sono necessari materiali speciali per gli anelli e le sfere. L’AISI M50 è un acciaio per le alte temperature che è in genere raccomandato in quanto presenta un’elevata resistenza all’usura e alla fatica alle alte temperature. Il BG42 è un altro acciaio per le alte temperature che presenta una buona durezza a 300°C ed è comunemente raccomandato, essendo caratterizzato da alti livelli di resistenza alla corrosione ed essendo inoltre meno suscettibile alla fatica e all’usura a temperature estreme. Sono inoltre necessarie gabbie resistenti alle alte temperature, le quali possono essere realizzate in materiali polimerici speciali, che includono il PTFE, il poliimmide (PI), il poliammide-immide (PAI) comunemente chiamato Torlon® e il polietere-etere-chetone (PEEK). Per i sistemi lubrificati ad olio per le alte temperature, le gabbie possono anche essere prodotte in bronzo, ottone o acciaio placcato in argento.
Rivestimenti e trattamento termico
Per contrastare l’attrito, prevenire la corrosione e ridurre l’usura, è possibile applicare ai cuscinetti dei rivestimenti e dei trattamenti superficiali avanzati, che migliorano così le prestazioni del cuscinetto alle alte temperature. Ad esempio, è possibile rivestire le gabbie in acciaio con argento per migliorare le prestazioni e l’affidabilità. In caso di problema/mancanza di lubrificante, la placcatura d’argento agisce come un lubrificante solido, il quale consente al cuscinetto di continuare a funzionare per un breve periodo di tempo o in una situazione di emergenza.
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Affidabilità alle basse temperature
All’opposto, anche in presenza di basse temperature si possono verificare problematiche per i cuscinetti standard.
Lubrificazione
Nelle applicazioni alle basse temperature, ad esempio in applicazioni di pompaggio criogenico con temperature dell’ordine dei -190°C, i lubrificanti a olio diventano cerosi, con un conseguente guasto al cuscinetto. I lubrificanti solidi, come il MOS2 o il WS2, sono ideali per migliorare l’affidabilità. Inoltre, in queste applicazioni, l’olio semifluido pompato può agire come lubrificante, quindi i cuscinetti devono essere appositamente configurati per funzionare a queste basse temperature utilizzando materiali che funzionano bene con gli oli semifluidi.
Materiali
Un materiale che può essere utilizzato per migliorare la durata a fatica e la resistenza all’usura di un cuscinetto è SV30® – un acciaio martensitico e ad alto contenuto di azoto, resistente alla corrosione. Sono inoltre consigliate le sfere in ceramica, in quanto offrono prestazioni superiori. Le proprietà meccaniche intrinseche del materiale consentono di assicurare un funzionamento eccellente in cattive condizioni di lubrificazione, e sono molto più adatte per il funzionamento affidabile alle basse temperature. Il materiale della gabbia dovrebbe inoltre essere scelto per essere il più possibile resistente all’usura e le opzioni valide in questo caso includono il PEEK, il policlorotrifluoroetilene (PCTFE) e la plastica PAI (Torlon®).
Trattamento termico
Per migliorare la stabilità dimensionale alle basse temperature, è necessario sottoporre gli anelli a un apposito trattamento termico.
Struttura interna
I cuscinetti destinati ad applicazioni a bassa temperatura devono essere progettati con più gioco radiale a temperatura ambiente, per consentire un livello accettabile di gioco radiale in condizioni operative caratterizzate da basse temperature.
La gestione della pressione del vuoto
In ambienti ad altissimo vuoto, come quelli presenti nella produzione di componenti elettronici, di semiconduttori e di LCD, la pressione può essere inferiore a 10-7 mbar. I cuscinetti per applicazioni ad altissimo vuoto sono tipicamente utilizzati nei componenti di attuazione all’interno dell’ambiente produttivo. Un’altra applicazione tipica dei sistemi a vuoto è data dalle pompe turbo-molecolari (TMP) che generano il vuoto per gli ambienti di produzione. In quest’ultima applicazione si rendono spesso necessari cuscinetti per il funzionamento ad alta velocità.
Lubrificazione
In queste condizioni la lubrificazione è fondamentale. In simili condizioni di alto vuoto i grassi lubrificanti standard evaporano, inoltre rilasciano gas e la mancanza di una lubrificazione efficace può provocare guasti al cuscinetto. È quindi necessario ricorrere ad una lubrificazione speciale. Per gli ambienti ad alto vuoto (fino a circa 10-7 mbar) è possibile utilizzare i grassi PFPE, in quanto offrono una resistenza molto più elevata all’evaporazione. Per gli ambienti ad altissimo vuoto (10-9 mbar e meno) è necessario utilizzare lubrificanti solidi e rivestimenti. Per gli ambienti a vuoto medio (circa 10-2 mbar), con un’accurata progettazione e selezione del grasso speciale per vuoto, è possibile ottenere sistemi di cuscinetti che offrono durate operative pari ad oltre 40.000 ore (circa 5 anni) di utilizzo continuo e funzionamento ad alta velocità.
Resistenza alla corrosione
I cuscinetti destinati all’utilizzo in ambienti corrosivi devono essere configurati appositamente, in quanto possono essere esposti potenzialmente a sostanze chimiche corrosive quali, tra l’altro, acidi, alcali e all’acqua salata.
Materiali
I materiali costituiscono un aspetto di importanza vitale da considerare negli ambienti corrosivi. In questo caso, è necessario considerare il materiale SV30 per gli anelli, con sfere in ceramica, essendo altamente resistenti alla corrosione. Infatti, gli studi hanno dimostrato che il materiale SV30 può durare molto più a lungo rispetto ad altri acciai resistenti alla corrosione in un ambiente soggetto a salsedine. Nei test controllati in nebbia salina, l’acciaio SV30 mostra solo lievi segni di corrosione dopo 1.000 ore di prova (si veda il grafico 1), e si può osservare chiaramente l’elevata resistenza alla corrosione del materiale SV30 sugli anelli di prova. È inoltre possibile utilizzare materiali ceramici speciali per le sfere, come lo zirconio e il carburo di silicio, per aumentare ulteriormente la resistenza di un cuscinetto alle sostanze corrosive.
Ottenere di più dalla lubrificazione dei substrati
Un ambiente finale difficile è dato dalle applicazioni in cui il substrato agisce come lubrificante, ad esempio i refrigeranti, l’acqua o i fluidi idraulici. In tutte queste applicazioni il materiale costituisce l’aspetto più importante da considerare, ed è emerso che spesso i cuscinetti ibridi in acciaio SV30 e ceramica forniscono la soluzione più pratica e affidabile.
Conclusione
Gli ambienti estremi presentano molte sfide operative per i cuscinetti standard, che ne possono provocare un guasto prematuro. In queste applicazioni i cuscinetti devono essere configurati con cura, di modo da essere adatti allo scopo e fornire eccellenti prestazioni nel tempo. Per garantire un’elevata affidabilità dei cuscinetti occorre prestare particolare attenzione alla lubrificazione, ai materiali, ai rivestimenti superficiali e al trattamento termico.
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