Piccole riduzioni dell’attrito possono comportare una notevole riduzione della potenza dissipata, in particolare ad alta velocità. Ridurre la viscosità degli oli lubrificanti aiuta, ma esiste un limite inferiore per la viscosità del lubrificante necessario a garantire la funzionalità dell’applicazione. I rivestimenti a film sottile nanocompositi sono stati impiegati in varie applicazioni per ridurre l’attrito radente e l’usura superficiale e risultano potenziali candidato per un uso in applicazioni ingranaggistiche. Questo lavoro mira a mostrare il potenziale vantaggio che si ha dall’applicazione di rivestimenti nanocompositi ai denti degli ingranaggi in termini di riduzione dell’attrito e dell’usura attraverso la presentazione di un gran numero di dati raccolti mediante test tribologici.
Sviluppo della tecnologia di rivestimento a film sottile
Una breve storia dello sviluppo della tecnologia di rivestimento a film sottile è fornita nei paragrafi seguenti. [1], [2]
Seconda guerra mondiale
Rivestimenti ottici: durante la seconda guerra mondiale, la domanda di ottiche migliorate ha portato a progressi nei rivestimenti ottici. I rivestimenti antiriflesso, composti da film sottili, sono stati sviluppati per migliorare le prestazioni delle lenti e di altri dispositivi ottici.
Dopo la seconda guerra mondiale
Tecniche di deposizione su film sottile: nel dopoguerra sono stati compiuti progressi significativi nelle tecniche di deposizione su film sottile. Sono stati sviluppatio metodi di deposizione sotto vuoto, come la deposizione fisica da vapore (PVD) e la deposizione chimica da vapore (CVD). Queste tecniche hanno consentito un controllo preciso sullo spessore, la microstruttura e la composizione del rivestimento, gettando le basi per lo sviluppo di rivestimenti nanocompositi.
Anni 1950-1960
Industria dei semiconduttori: la crescita dell’industria dei semiconduttori negli anni ‘1950 e ‘1960 ha guidato i progressi nella tecnologia a film sottile. I film sottili sono diventati parte integrante della produzione di semiconduttori, con tecniche come lo sputtering e l’evaporazione.
Anni 1970-1980
Tecniche assistite da plasma: l’uso di plasma per la deposizione di film sottili ha acquisito importanza negli anni ’70 e ’80. Sono state sviluppate tecniche di deposizione chimica da vapore assistita da plasma (PACVD) e di deposizione chimica da vapore potenziata al plasma (PECVD), capaci di migliorare le proprietà meccaniche e chimiche dei rivestimenti a film sottile abbassando le temperature di lavorazione.
Fine del 20° secolo
Progressi nei materiali di rivestimento: la ricerca ha portato allo sviluppo di un’ampia gamma di materiali. I film sottili venivano applicati non solo per scopi funzionali come la resistenza alla corrosione e il miglioramento ottico, ma anche per nuove applicazioni nell’elettronica, nei sensori e nei dispositivi medici.
21° secolo: nanotecnologie e rivestimenti multifunzionali
Il 21° secolo ha visto l’impiego di nanotecnologie nei rivestimenti a film sottile. I rivestimenti nanocompositi, con materiali su scala nanometrica incorporati, sono diventati un punto focale per migliorare le proprietà delle superfici. I rivestimenti multifunzionali hanno guadagnato un’attenzione significativa, grazie alla combinazione di caratteristiche autopulenti, antibatteriche e proprietà meccaniche migliorate.
United Protective Technologies LLC [3], ha ampliato la tecnologia dei rivestimenti a film sottile utilizzando reattori progettati ad hoc, combinata a strategie di applicazione a bassa temperatura, per produrre rivestimenti capaci di ridurre l’attrito. Questi rivestimenti permettono riduzioni dell’attrito anche oltre il 50% ed aumentano la resistenza all’usura di ordini di grandezza. La bassa temperatura di processo utilizzata per applicare questi rivestimenti consente di effettuare il trattamento termico effettuato sulla maggior parte degli ingranaggi subito prima della loro messa in servizio dato che non va ad alterare le caratteristiche meccaniche del materiale.
La figura 1 mostra la struttura di base di un rivestimento nanocomposito. L’immagine mostra il rivestimento stratificato, lo strato di adesione ed il substrato (ISO 26423) [4]. Una sfera d’acciaio di 15 mm di diametro, utilizzando pasta diamantata come abrasivo, viene utilizzata per tritare il rivestimento ed esporne una sezione in modo da effettuare la misurazione dello spessore. Diversi sistemi di rivestimento presentano un numero diverso di strati e possono avere proprietà meccaniche e composizioni chimiche diverse da strato a strato.
Parametri specifici del sistema di rivestimento
Il sistema di rivestimento, proposto da United Protective Technologies P51M, è un sistema di rivestimento nanocomposito composto da uno strato adesivo metallico e più strati funzionali nanocompositi. Il suo spessore è di 3-5 micron.
Applicazione
Questo lavoro è stato finanziato come progetto SBIR [5] per studiare e migliorare le prestazioni di ingranaggi aerospaziali utilizzati in un motore a turbina schierato su un aereo in servizio con l’US Air Force.
Descrizione del sistema
Gli ingranaggi fanno parte di un gruppo riduttore che estrae energia dall’albero principale della turbina per azionare l’impianto idraulico e fornire energia elettrica ai sistemi dell’aereo.
Descrizione dell’hardware
Gli ingranaggi sono disposti in serie, come mostrato nella figura 2. Si tratta di ingranaggi cilindrici, in configurazione composta. Gli ingranaggi sono realizzati in acciaio AISI 4620 o AISI 8620, con AISI 8620 preferito a causa della domanda del mercato e della sua più ampia disponibilità.
Tutti i test per questo progetto sono stati eseguiti con provini di acciaio AISI 8620, cementato e trattato termicamente in conformità con i disegni degli ingranaggi. Le figure 3 e 4 mostrano le marce selezionate, con scale di riferimento.
Le figure 5 e 6 mostrano l’usura e i danni tipici osservati sugli ingranaggi durante le operazioni di revisione.
La tabella 1 mostra le caratteristiche degli ingranaggi, compresi i diametri primitivi e le dimensioni del fianco.
| Ingranaggio # | Nomenclatura | Diametro primitivo (in) | Larghezza fianco (in) |
| 1 | Ingranaggio cilindrico del generatore | 2.0000 | 0.420 |
| 2 | Ingranaggio folle cilindrico | 3.6363 | 0.360 |
| 3 | Ingranaggio frizione Sprag | 2.3636 | 0.560 |
| 4 | Ingranaggio frizione a disco | 3.0000 | 0.440 |
| 5A | Ingranaggio a grappolo | 2.0909 | 0.312 |
| 5B | Ingranaggio a grappolo | 3.4545 | 0.312 |
| 5C | Ingranaggio a grappolo | 2.9090 | 0.375 |
| 6 | Ingranaggio della pompa idraulica | 3.0909 | 0.250 |
Tabella 1 – Nomenclatura degli ingranaggi e dimensioni selezionate
Il n. 5 è un ingranaggio composto con tre diversi diametri. I tre profili degli ingranaggi sono riportati sul disegno come A, B e C. La sezione A ha il diametro primitivo più piccolo, la sezione B ha il diametro primitivo più grande mentre la sezione C presenta il diametro primitivo intermedio.
Parametri di funzionamento
Gli ingranaggi sono lubrificati a bagno con olio per motori a turbina MIL-PRF-7808. Questo fluido viene filtrato e raffreddato in modo tale che la temperatura massima di esercizio non superi mai i 250 F. La sollecitazione di contatto è stata calcolata come primo passo dell’analisi.
L’equazione AGMA utilizzata era della forma [6]:
Dove Cp è un parametro di corrispondenza elastico dato da:
Dove Wt è la forza trasmessa, Kv è un fattore di concentrazione delle sollecitazioni per la velocità di funzionamento, Ko è un fattore di concentrazione delle sollecitazioni per il tipo di carico, Ks è un fattore di concentrazione delle sollecitazioni per le dimensioni dei denti degli ingranaggi, Km è un fattore di concentrazione delle sollecitazioni per la distribuzione del carico lungo il fianco dell’ingranaggio, Cf è un fattore di concentrazione delle sollecitazioni per la finitura superficiale dell’ingranaggio, F è la larghezza o il fianco minimo del dente dell’ingranaggio nella coppia di denti in presa, d è il diametro primitivo del pignone (l’ingranaggio con il diametro primitivo più piccolo) ed I è un fattore di correzione della geometria per la forma del dente dell’ingranaggio evolvente, che per un ingranaggio cilindrico esterno è dato da [7]:
I calcoli della sollecitazione di contatto per ciascuna coppia di ingranaggi ad entrambe le velocità di ingresso presuppongono quanto segue:
- La coppia di ingresso di 2200 in-lbf rappresentava un carico transitorio sul treno di ingranaggi. Un fattore di sovraccarico pari a Ko = 2,25 è stato applicato per tenere conto di questo profilo di carico.
- Tutti gli ingranaggi sono stati cementati e trattati termicamente con una durezza della cassa di 58 – 60 Rockwell C.
- Il fattore che modifica i calcoli delle sollecitazioni dei cuscinetti in base al potenziale disallineamento (Km) è stato preso pari a 1,03, assumendo ingranaggi ben centrati e ben supportati.
- La velocità della superficie del dente è stata calcolata in modo indipendente per ogni ingranaggio e utilizzata per generare fattori nelle equazioni come dettato dalla normativa AGMA.
- Il fattore geometrico di concentrazione delle sollecitazioni è stato calcolato utilizzando l’angolo di pressione dell’ingranaggio pari a 20°, risultando diverso per le varie ruote in presa.
- Per il fattore di corrispondenza elastico si è assunto che tutti gli ingranaggi fossero realizzati in acciaio AISI 4620/8620.
- Il fattore di rugosità superficiale (Cf) scelto corrispondeva ad una finitura superficiale di 32 micropollici rms, i.e. un fattore di rugosità di 1,1.
- Le sollecitazioni sono state calcolate in base alla larghezza minima dei due fianchi in presa e al diametro primitivo del pignone.
Ciò ha permesso di ottenere i risultati ripostati nel seguito, che rappresentano le sollecitazioni massime sui fianchi in base al carico. Tutti i risultati in termini di sollecitazioni di contatto sono riportati nelle due tabelle 2 e 3, una per ogni velocità di funzionamento fornita.
| Ingranaggio # | Pignone # | Sollecitazione di contatto (lbf/in2) | Sollecitazione di contatto (MPa) |
| 2 | 3 | 400.561E+3 | 2.762E+3 |
| 2 | 1 | 416.367E+3 | 2.871E+3 |
| 5B | 3 | 434.178E+3 | 2.994E+3 |
| 6 | 5A | 516.683E+3 | 3.563E+3 |
Tabella 2 – Sollecitazione massima stimata durante il funzionamento ad alta velocità
| Ingranaggio # | Pignone # | Sollecitazione di contatto (lbf/in2) | Sollecitazione di contatto (MPa) |
| 2 | 3 | 393.689E+3 | 2.715E+3 |
| 2 | 1 | 410.460E+3 | 2.831E+3 |
| 4 | 5C | 406.964E+3 | 2.807E+3 |
| 6 | 5A | 511.135E+3 | 3.525E+3 |
Tabella 3 – Sollecitazione massima stimata durante il funzionamento a bassa velocità
Questi risultati possono essere confrontati con la sollecitazione ammissibile del cuscinetto. La costante di materiale viene modificata secondo la seguente relazione:
dove sac è la sollecitazione costante ammissibile del cuscinetto del materiale dell’ingranaggio, CH è un fattore del rapporto di durezza, KT è un fattore di concentrazione della sollecitazione basato sulla temperatura di esercizio e KR è un fattore di concentrazione della sollecitazione basato sull’affidabilità desiderata. SH è il fattore di sicurezza.
Consideriamo quanto segue per i valori in questa relazione:
- La norma AGMA identifica la sollecitazione massima ammissibile per gli ingranaggi in acciaio cementato e temprato come 275×103 psi (ingranaggi in acciaio di grado 3).
- Supponiamo che YN assuma un valore unitario, cioè che gli ingranaggi siano stati progettati per una vita di 10e6 cicli (approccio standard).
- Per questa analisi, assumiamo un fattore di sicurezza unitario.
- KT assume anch’esso un valore unitario poiché la temperatura di servizio è inferiore o uguale a 250 F.
- KR assume un valore di 0,68, come mostrato di seguito.
L’aspettativa di vita degli ingranaggi in questo dispositivo era di 2500 ore MTBF, con un tempo di sostituzione pari a 2250 ore. Questo può essere convertito in affidabilità (in percentuale) utilizzando quanto segue [8]:
Ciò produce un’affidabilità del 41%. L’affidabilità minima considerata da AGMA è del 50%, che produce un valore per KR utilizzando:
Questo valore è più conservativo rispetto al valore mostrato nella tabella 11 di [6]. Utilizzando questo fattore di concentrazione delle sollecitazioni, la nostra sollecitazione ammissibile per gli ingranaggi in analisi sarebbe di 404 ksi. Questo valore di sollecitazione ammissibile calcolato sembra essere superato in sei casi d’uso. Tutti i carichi e le sollecitazioni di contatto durante i test tribologici sono stati decisi sulla base di questi calcoli. Secondo l’analisi, questi ingranaggi hanno superato le sollecitazioni di contatto consentite in sei casi studiati (tabelle 2 e 3).
Logica del test
I guasti riportati per gli ingranaggi in esame indicano come vi sia un’interazione superficiale attribuibile a un elevato attrito e ad un’eccessiva usura da scorrimento delle superfici di ingranamento dovuta all’adesione o al cedimento localizzato del materiale dell’ingranaggio. L’elevata sollecitazione presente nel contatto ha suggerito al team di ricerca che un rivestimento nanocomposito avrebbe potuto portare ad un miglioramento delle prestazioni del sistema. Un rivestimento nanocomposito permette infatti sia un miglioramento dell’usura, sia una riduzione dell’attrito. Ciò può ridurre la temperatura dell’interfaccia, con conseguente miglioramento della durata del substrato e della lubrificazione. Per mostrare la migliore lubrificazione offerta dal rivestimento nanocomposito e la sua capacità di migliorare la resistenza all’usura sono stati effettuati test ad hoc.
Test delle prestazioni del rivestimento
I test tribologici standard sono eseguiti sul rivestimento sono stati presi a riferimento per ulteriori test più approfonditi. Al termine dei test tribologici, sono stati condotti due ulteriori tipi di test (scuffing) volti a mostrare i potenziali benefici prestazionali ottenibili applicando il rivestimento.
Effetto sulle proprietà del materiale del substrato
Poiché questo rivestimento non è stato ampiamente applicato agli ingranaggi e non è mai stato utilizzato su piattaforme aerospaziali, lo sponsor del progetto ha richiesto che le parti rivestite fossero sottoposte ad una caratterizzazione dettagliata delle proprietà dei materiali del substrato dell’ingranaggio. Dal successo di questa serie di test, si può concludere come l’applicazione del rivestimento non influisca sulle proprietà meccaniche del materiale del substrato ritenute critiche dai progettisti.
Il processo di applicazione di questo sistema di rivestimento viene eseguito a temperature relativamente basse, solitamente inferiori a 400 °F. Ciò consente al processo di venire eseguito nella fase finale della produzione dell’ingranaggio dato che l’esposizione alla temperatura non influisce sul trattamento termico richiesto dal progettista dell’ingranaggio.
Metodi di prova e risultati
Test tribologici di base
La procedura ASTM G133 [9] viene utilizzata per la valutazione delle prestazioni del rivestimento durante tutta la fase di sviluppo. Questo test utilizza un approccio sfera su disco, con il carico applicato alla sfera. Quando il disco ruota è possibile estrarre il coefficiente di attrito in base al carico richiesto per farlo muovere. Le proprietà del rivestimento sono state misurate utilizzando appunto un disco rivestito e conducendo il test in assenza di lubrificazione e con un carico statico pari a 20 N. Per questo test è stata utilizzata una sfera rivestita in carburo di tungsteno di 6 mm di diametro. Questa combinazione ha prodotto una sollecitazione di contatto di 320 ksi.
L’apparecchio ha funzionato a 5 Hz (5,6 cm/s con una lunghezza della corsa di 4 mm). Questo test è stato eseguito a 25 °C, temperatura ambiente di laboratorio. Il test è proseguito fino ad ottenere uno scorrimento totale dell’interfaccia di 1000 m.
I risultati dei test eseguiti sul campione rivestito sono stati confrontati con i risultati dello stesso test effettuato sul substrato “nudo” con una finitura superficiale equivalente al valore richiesto per gli ingranaggi finiti e sul substrato nudo con una finitura superficiale tipica del rivestimento. Come discusso, il coefficiente di attrito dinamico è stato derivato dalle forze necessarie per produrre il movimento relativo. Oltre al coefficiente di attrito, sono state raccolte anche molti altri dati tra cui il livello di usura presente sia sul provino rivestito, sia sulla sfera.
La tabella 4 mette a confronto le prestazioni del materiale del substrato e del rivestmento (3,5 μm). Per i rivestimenti è pratica comune raccomandare le finiture superficiali analoghe a quelle ottenibili con la superfinitura isotropa in modo da ridurre al massimo l’attrito e l’usura.
| Finitura superficiale (μin, Ra) | Coefficiente di attrito radente (μk) | Sfera di prova normalizzata Usura (mm3/N/m) | Usura disco normalizzata (mm3/N/m) | |
| 1 | 32† | 0.70 | 3,31×10-7 | 2,15×10-6 |
| 2 | 4 | 0.60 | 1,58×10-7 | 9,40×10-7 |
| 3 | 4 Rivestito con P51M | 0.15 | 2,56×10-9 | 8,92×10-8 |
(† Questa è la finitura superficiale specificata nei disegni di produzione degli ingranaggi)
Tabella 4 – Dati di prova ASTM G133 per provini di prova AISI 8620 in condizioni rivestite e non rivestite
Test di caratterizzazione del rivestimento
Durante questo lavoro sono stati condotto anche test per caratterizzare l’adesione e la resilienza dei rivestimenti a film sottile. Oltre alle misure dello spessore descritte nel paragrafo 1.6, i test qui descritti confrontano diversi rivestimenti e monitorano la ripetibilità del processo di rivestimento.
La figura 7 mostra il risultato di una misura dello spessore del rivestimento eseguita in conformità alla norma ISO 26423, come discusso in riferimento alla figura 1. Lo spessore del rivestimento è stato stimato in 3,95 micron.
La figura 8 mostra una vista in sezione, ottenuta con un microscopio elettronico a scansione, del solco lasciato dal test (figura 7).
Il test utilizzato per valutare l’adesione del rivestimento – ASTM C1624 [10] – prevede l’impiego di uno stilo (pin) caricato in modo. Il rivestimento viene testato con un penetratore Rockwell di tipo “C”, e il test interrotto quando la forza normale raggiunge i 100 N. Nella norma sono identificati tre carichi critici, che rappresentano diversi livelli e tipi di cedimento del rivestimento. Questi carichi vengono acquisiti con l’aiuto di un sistema di visione industriale, identificando la modalità di cedimento del rivestimento. Il primo carico critico (LC1) è il carico per cui il rivestimento inizia a mostrare fessurazioni chevron, indicative di una decoesione del rivestimento o di una mancata adesione del rivestimento a sé stesso. LC2 si verifica quando il rivestimento si scheggia, ed è indicativo di un cedimento adesivo del rivestimento al substrato, per cui il rivestimento inizia a staccarsi dal substrato ai bordi della zona danneggiata. LC3 è il valore per cui il rivestimento si sfalda liberamente dal substrato.
Test delle proprietà meccaniche
Sono stati condotti quattro diversi test delle proprietà meccaniche sia su campioni standard non rivestiti, sia rivestiti. Il materiale utilizzato per le prove è stato un AISI 8620 cementato per soddisfare i requisiti riportati nei disegni degli ingranaggi (HRC 60 e profondità di cementazione compresa tra 0,010 e 0,020 pollici). Tutti i test sono stati condotti da un laboratorio di prova indipendente.
Resistenza alla trazione
Le prove di trazione sono state eseguite in conformità a ASTM E8 – Metodi di prova standard per le prove di trazione di materiali metallici. I test sono stati eseguiti su campioni rivestiti e non rivestiti prodotti a partire dalla stessa barra, con cinque esemplari (per tipo) testati. La tabella 5 riassume i risultati delle prove di trazione: il rivestimento non ha alcun effetto negativo sulla resistenza alla trazione del materiale del substrato.
| Carico di rottura medio (ksi) | Deviazione standard della resistenza a rottura (ksi) (trazione) | Carico di snervamento Rp0,2% (ksi) | Deviazione della resistenza allo snervamento (ksi) | |
| Campioni rivestiti | 207.8 | 5.7 | 172 | 3.6 |
| Campioni non rivestiti | 193.6 | 3.8 | 152 | 2.8 |
Tabella 5 – Dati delle prove di trazione ASTM E8 per AISI 8620 in condizioni rivestite e non rivestite (n = 5)
Resistenza alla fatica
I test di fatica sono stati eseguiti in conformità alla normativa ASTM D790 – Metodi di prova standard per le proprietà di flessione di plastiche non rinforzate e rinforzate e materiali isolanti elettrici. I test di flessione a tre punti sono stata eseguita su richiesta del Technical Point of Contact (TPOC) del progetto, che ha ritenuto che questo tipo di test replicasse più fedelmente le condizioni di lavoro dei denti degli ingranaggi. Sono stati testati quattro campioni per ciascuna configurazione (dopo aver sacrificato ogni volta un campione per impostare i parametri della macchina). Il campione “di calibrazione” è stato testato con un valore di sollecitazione a flessione elevato così da garantire che si verificasse un cedimento entro un tempo di prova ragionevole. Poiché si trattava di un test comparativo, risultati ottenuti per carichi elevati (cedimenti a fatica a basso numero di cicli) è stato ritenuto sufficiente. La tabella 6 riassume i risultati delle prove di fatica, dimostrando come il rivestimento non abbia alcun effetto negativo sulle prestazioni a fatica del materiale del substrato. Va notato come questi risultati riflettano la dispersione statistica tipica prevista dei test di fatica.
| Numero di cicli fino al guasto | Deviazione standard del numero di cicli a rottura | Carico di flessione medio (lbf) | Deviazione standard del carico di flessione (lbf) | |
| Campioni rivestiti | 8202 | 681 | 1272 | 12 |
| Campioni non rivestiti | 7555 | 839 | 1256 | 37 |
Tabella 6 – Dati delle prove di fatica ASTM D790 per AISI 8620 in presenza e non del rivestimento – frequenza di prova pari a 5 Hz, (n = 4)
Resistenza al taglio
La prova di resistenza al taglio è stata eseguita in conformità alla normativa ASTM B769 – Metodo di prova standard per le prove di taglio delle leghe di alluminio. Questo test è stato scelto su richiesta del laboratorio di prova esterno per consentire l’impiego delle loro attrezzature esistenti. La tabella 7 riassume i risultati dei test di resistenza al taglio, mostrando come il rivestimento non abbia alcun effetto negativo sulla resistenza al taglio del materiale del substrato.
| Resistenza media a taglio (ksi) | Deviazione standard della resistenza a taglio (ksi) | |
| Campioni rivestiti | 155.1 | 5.2 |
| Campioni non rivestiti | 154.1 | 5.7 |
Tabella 7 – Dati della prova di taglio ASTM B769 per AISI 8620 in condizioni rivestite e non rivestite (n = 5)
Resistenza alla compressione
Il test di resistenza alla compressione è stato eseguito in conformità con ASTM E9 – Metodi di prova standard per prove di compressione di materiali metallici a temperatura ambiente. Il test di resistenza alla compressione viene in genere terminato all’insorgere della condizione di snervamento del materiale. La tabella 8 riassume i risultati dei test di resistenza alla compressione, mostrando ancora una volta come il rivestimento non abbia alcun effetto negativo sulla resistenza del materiale del substrato.
| Resistenza (0,2%) a compressione (ksi) | Deviazione standard della resistenza (0,2%) a compressione (ksi) | |
| Campioni rivestiti | 189 | 3.3 |
| Campioni non rivestiti | 188.7 | 3.5 |
Tabella 8 – Dati della prova di compressione ASTM E9 per AISI 8620 in condizioni rivestite e non rivestite (n = 5)
Resistenza alla corrosione
I campioni rivestiti, realizzati in acciaio AISI 8620 e cementati per soddisfare le specifiche dei disegni degli ingranaggi, sono stati testati secondo MIL-STD-810G 509.6. Le prove di esposizione alla nebbia salina sono state realizzate nel laboratorio dell’autore dell’articolo. La figura 10 mostra i campioni pronti per i test (con il sigillante per bordi applicato). I campioni hanno un diametro di 1 pollice ed uno spessore di 0,25 pollici.
La figura 11 mostra gli campioni dopo 24 ore di esposizione.
Al termine dell’esposizione di 24 ore, i campioni di prova sono stati rimessi nella camera per altre 24 ore (esposizione totale di 48 ore). I risultati di tale test sono illustrati nella figura 12.
Nella procedura definita in MIL-STD-810G 509.6, il test normale viene interrotto dopo 48 ore di esposizione. I campioni che mostravano corrosione sono stati analizzati mediante microscopia ottica. La corrosione presente è stata attribuita a micro-difetti [11] nel rivestimento, che possono verificarsi quando la preparazione della superficie del materiale risulta inappropriata, quando il processo di applicazione del rivestimento non è completamente concluso o quando lo strato di adesione e il design della superficie non sono del tutto compatibili con la chimica del substrato. I campioni che non mostravano segni di corrosione sono stati rimessi nella nebbia salina per un’esposizione duratura.
Dopo questi primi test e il successivo miglioramento dello strato di adesione, nonché la modifica della superficie del substrato hanno prodotto prestazioni di resistenza alla corrosione significativamente migliori e costanti in presenza del rivestimento. La figura 13 mostra un campione realizzato in acciaio AISI 4140.
Questo campione è stato rimosso dai test di esposizione a lungo termine alla nebbia salina. Sulla base degli ultimi risultati dei test, il rivestimento è stato ritenuto capace di resistere a 1000+ ore di esposizione alla nebbia salina.
Contaminazione dei fluidi
Il progetto richiedeva che il rivestimento superasse i test di esposizione al fluido MIL-STD-810G 504.2. I campioni rivestiti sono stati dunque esposti al fluido lubrificante utilizzato nel cambio, MIL-PRF-7808 [12]. Durante il test, cinque campioni rivestiti sono stati immersi nell’olio per 24 ore a 25 °C e successivamente tolti dall’olio, asciugati all’aria per 10 minuti e posti in forno a convezione per 8 ore a 50°C. I campioni rivestiti non hanno mostrato alcuna degradazione a seguito dell’esposizione al fluido. Questa procedura di test è stata eseguita nel laboratorio degli autori (N.d.R.).
Shock termico
Anche i test MIL-STD-810G 504.2 sono stati eseguiti anche nel laboratorio dell’autore. Il test di shock termico è stato eseguito in due fasi: un ciclo di shock freddo e un ciclo di shock caldo.
Durante la procedura di shock freddo, un piccolo recipiente è stato riempito con ghiaccio secco per creare una temperatura pari a -78°C. Cinque campioni rivestiti sono stati esposti a tale temperatura per cinque minuti e portati poi a temperatura ambiente per altri cinque minuti. Questa procedura è stata ripetuta 10 volte. Le immagini delle superfici sono state raccolte durante ogni trasferimento in modo da verificare la presenza di eventuali problemi ai rivestimenti dopo l’esposizione alla bassa temperatura.
Durante la fase successiva, è stata seguita una procedura simile utilizzando però un forno in modo da mantenere la temperatura di esposizione a 156 °C necessaria per i cicli di shock caldo. Cinque campioni rivestiti sono stati esposti a temperature alterne (156 °C e ambiente) per cicli di 5 minuti e le immagini delle superfici sono state raccolte dopo ogni ciclo termico. Questa procedura è stata ripetuta per 10 volte. Tutti i campioni sono stati controllati in modo da verificare la presenza di problemi superficiali. Questo test di shock termico non ha portato ad alcun problema del rivestimento e non si e` stato osservato alcun effetto sul substrato.
Test di scuffing dell’ingranaggio
Al fine di tradurre le prestazioni mostrate dal sistema di rivestimento in esame da un ambiente di prova all’applicazione specifica, sono stati condotti test di scuffing su ingranaggi con spostamento di profilo comunemente utilizzati per valutare la capacità di protezione a pitting dei lubrificanti liquidi. Il test standard, definito da ASTM D5182 – Valutazione della capacità di carico di scuffing degli oli (metodo visivo FZG) [13], utilizza ingranaggi di prova appositamente progettati e realizzati in acciaio legato 20MnCr5 (UNS G51200). Questi ingranaggi prevedono uno spostamento di profilo per assicurare uno slittamento significativo. Gli ingranaggi sono montati a coppie e collegati mediante due alberi. Durante i test, il carico viene fatto crescere in modo progressivo grazie ad una frizione. L’usura da scuffing sulle superfici dei denti viene valutata direttamente dall’operatore ed il test viene interrotto quando l’area interessata dal danneggiamento sull’intero ingranaggio equivale alla larghezza di un singolo fianco. Gli ingranaggi vengono pesati prima del test, in modo da poter fornire un’indicazione della perdita di materiale alla fine del test. La figura 14 mostra una macchina di prova disponibile in commercio con ingranaggi di prova standard montati.
Questa configurazione utilizza il pignone come ingresso per l’azionamento del sistema. L’esperienza precedente e l’analisi dei risultati dei test tribologici hanno suggerito come un test più severo fosse appropriato qualora si volesse arrivare ad un cedimento del rivestimento. Una versione più severa di questo test è definita nella ISO 14635-2: Procedure di prova FZG Parte 2: Prova di carico a gradini FZG A10/16, 6R/120 per la capacità di carico relativa di scuffing di oli ad alto EP [15]. In questo test, la ruota dentata aziona il sistema nella direzione contraria. Inoltre, a differenza del test standard, il pignone ha una larghezza di fascia di soli 10 mm (metà della dimensione del fianco della ruota dentata), aumentando così la sollecitazione di contatto. Il laboratorio di prova indipendente che ha eseguito questo lavoro ha suggerito di utilizzare Mobil DTE Light Oil di grado ISO 32 [16] come lubrificante di prova. Questo test è stato eseguito in modo sistematico per valutare le prestazioni a scuffing del rivestimento.
Sebbene gli ingranaggi di prova siano stati realizzati in acciaio legato 20MnCr5 (UNS G51200), le caratteristiche di adesione del rivestimento sono trasferibili a qualsiasi substrato ferroso. Lo strato di adesione del rivestimento nanocomposito non risulta essere, infatti, molto sensibile alla chimica del substrato metallico ammesso che il grado di pulizia della superficie sia adeguato. Inoltre, le caratteristiche adesive del rivestimento migliorano all’aumentare della durezza superficiale a causa della diminuzione della deformazione del substrato.
La figura 15 mostra una serie di ingranaggi di prova dopo l’applicazione del rivestimento. La figura 16 mostra un primo piano delle superfici di prova di un ingranaggio non rivestito in cui risulta chiara la trama del substrato. Essendo lo spessore del rivestimento molto sottile, tale trama risultava ancora visibile dopo l’applicazione del rivestimento stesso.
I risultati dei test sono stati riportati in più fasi, come indicato nella tabella 9. Viene registrata anche la temperatura del bagno del lubrificante per fornire informazioni sulla quantità di calore generata all’interfaccia mesh.
| Fase di test | Descrizione operatore | Sollecitazione di contatto calcolata (MPa) | Sollecitazione di contatto calcolata (ksi) | Temperatura del bagno d’olio (°C) |
| 1 | Nessun graffio su nessun dente | 206 | 30 | 40 |
| 2 | Nessun graffio su nessun dente | 417 | 60 | 40 |
| 3 | Nessun graffio su nessun dente | 670 | 97 | 50 |
| 4 | Nessun graffio su nessun dente | 878 | 127 | 120 |
| 5 | Nessun graffio su nessun dente | 1093 | 159 | 125 |
| 6 | Nessun graffio su nessun dente | 1314 | 191 | 125 |
| 7 | Nessun graffio su nessun dente | 1527 | 221 | 125 |
| 8 | Nessun graffio su nessun dente | 1730 | 251 | 130 |
| 9 | Nessun graffio su nessun dente | 1960 | 284 | 130 |
| 10 | Due denti con due graffi ciascuno | 2176 | 316 | 135 |
| 11 | Graffi su sei denti | 2397 | 348 | 145 |
| 12 | Graffi su tutti i denti | 2615 | 379 | 151 |
| 13 | Fallito, somma di forti graffi su tutti i denti > 1 larghezza del fianco | 2833 | 411 | 172 |
Tabella 9 – ISO 14635 – 2 Procedure di prova FZG Parte 2: Prova di carico a gradini FZG A10/16, 6R/120 per la capacità di carico relativa di scuffing di oli ad alto EP risultati per P51M. Per questo test sono stati utilizzati 1,4 litri di olio
La sollecitazione di rottura è di gran lunga superiore alla sollecitazione massima ammissibile per gli ingranaggi in acciaio di grado 3 indicata nel riferimento [6] e pari a 275 ksi. Il pignone e la ruota dentata sono stati pesati prima e dopo il test. La tabella 10 riassume la perdita di massa dovuta allo scuffing a seguito della prova.
| Massa prima della prova (g) | Massa dopo la prova (g) | Perdita di massa (g) | Perdita di massa (ppm) | |
| Ruota dentata | 1258.6196 | 1258.0063 | 0.6133 | 487 |
| Pignone | 708.1166 | 707.9748 | 0.1418 | 200 |
Tabella 10 – Dati di variazione del peso di prova ISO 14635
Test di scuffing sfera su disco
Ulteriori test sono stati effettuati con un metodo alternativo. È stato impiegato un sistema sfera su disco in modo da controllare meglio la velocità relativa delle superfici a contatto. Questo test consente all’utente di specificare la quantità di strisciamento presente all’interfaccia dove si verificano sia strisciamento che rotolamento. Nei denti degli ingranaggi con profilo ad evolvente, il contatto è di puro rotolamento solo in corrispondenza del diametro primitivo, con strisciamenti variabili (nella direzione di rotolamento e in direzione opposta) allontanandosi dal primitivo. Nella figura 17 è mostrata una cella di prova per scuffing di tipo sfera su disco disponibile in commercio.
L’utilizzo di questa apparecchiatura consente, inoltre, di controllare le finiture superficiali delle due superfici a contatto permettendo di riprodurre in modo fedele i valori che si hanno sugli ingranaggi reali. I parametri del test erano la velocità di strisciamento (Ue), la velocità di scorrimento (Us) ed il vettore velocità (v). Questi sono definiti da:
Ue = (Ub + Ud) / 2 (7)
Dove Ub è la velocità della sfera ed Ud è la velocità del disco:
Us = (Ub – Ud) (8)
Il vettore velocità è pari alla risultante della somma vettoriale delle velocità della palla e del disco:
La figura 18 fornisce uno schema generale delle varie velocità. Tb e Td si riferiscono alle temperature di sfera e disco, che sono mostrate anche nei grafici.
Le velocità utilizzate nei test sono state scelte come rappresentative della geometria generale dell’ingranaggio studiato in questo lavoro. Il test viene condotto in modo molto simile al test di scuffing su ingranaggi con spostamento di profilo. Agli articoli di prova vengono applicati carichi crescenti, normali alla superficie di prova. La prova viene terminata all’insorgenza dello scuffing.
Al fine di riprodurre in modo più realistico le condizioni di servizio, come lubrificante è stato utilizzato il fluido MIL-PRF-7808. Questo test è stato eseguito da un laboratorio indipendente.
Questo dispositivo di prova monitora il coefficiente di trazione, definito come:
Tc = FT / FN (10)
dove FT è la forza di trazione ed FN è la forza normale. Questo coefficiente aumenta bruscamente quando tra sfera e disco si iniziano a rovinare e questo porta ad interrompere il test. La tabella 11 fornisce le configurazioni di prova ed i risultati per le varie combinazioni di trattamento superficiali valutate. Le figure 19-21 riportano i dati del test. Si noti come questo apparato di prova permetta di monitorare la temperatura sia della sfera che del disco in prova. I dati per i singoli test sono illustrati nelle figure 19, 20 e 21.
Le differenze illustrate nella figura 21 sono una riduzione del coefficiente di trazione, una riduzione delle temperature della sfera e del disco e una maggiore capacità di carico quando si confrontano campioni di prova con una finitura superficiale migliorata e campioni con una finitura superficiale migliorata e rivestimento applicato. Al livello 30, questi valori risultano 0,04 rispetto a 0,02 per il coefficiente di trazione, 225 °C rispetto a 175 °C per la sfera e 150 °C rispetto a 120 °C per il disco. La capacità di carico risulta aumentata dalla fase 30 alla fase 33. L’aumento della sollecitazione di contatto è mostrato nella tabella 11.
| Finitura superficiale della sfera (μin, Ra) | Finitura superficiale del disco (μin, Ra) | Velocità di trascinamento (m/s) | Velocità di scivolamento (m/s) | Fase di cedimento | Sollecitazione di contatto (ksi) | |
| 1 | 32 | 32 | 19.5 | 8.75 | 18 | 241 |
| 2 | 3 | 3 | 19.5 | 8.75 | 30 | 345 |
| 3 | 3 Rivestito con P51M | 3 Rivestito con P51M | 19.5 | 8.75 | 33 | 372 |
Tabella 11 – Configurazioni di prova della sfera sul disco e risultati dei test. Tutti gli articoli di prova sono stati realizzati in acciaio AISI 8620
Sviluppi futuri
Il basso coefficiente di attrito, la migliore resistenza all’usura e la maggiore resistenza allo scuffing esibiti dai campioni di prova trattati con il rivestimento nanocomposito indicano come un ulteriore loro sviluppo sia completamente giustificato. Il miglioramento della resistenza all’usura di diversi ordini di grandezza, unito alla drastica riduzione del coefficiente di attrito, dovrebbe produrre vantaggi significativi per molti sistemi in cui vengono utilizzati gli ingranaggi. Questi risultati di laboratorio sono convincenti, ma sarà necessaria una validazione ulteriore in un’applicazione reale.
Questo progetto è stato ispirato dal lavoro svolto per un team di corse competitivo che opera in un ambiente in cui qualsiasi vantaggio in termini di prestazioni risulta prezioso e in cui viene speso un notevole sforzo ingegneristico per ottenere tali vantaggi prestazionali. La corona dentata ed il pignone per questo progetto sono mostrati nella figura 22.
Mentre gli autori sono vincolati da un accordo di non divulgazione dei dati dettagliati con questa squadra corse, i risultati ottenuti dai test al dinamometro hanno mostrato un aumento medio dello 0,5% della coppia operativa disponibile. Testare questo rivestimento su una piattaforma distribuibile su piccola scala in cui i dati saranno disponibili per la pubblicazione è il prossimo passo logico. Sono in corso test per applicare questo rivestimento a componenti selezionati di una trasmissione da corsa Formula SAE (FSAE) [19]. La trasmissione e il sistema motore saranno sottoposti a benchmark prima dell’installazione delle parti rivestite, con test comparativi al dinamometro eseguiti presso l’Università della Carolina del Nord a Charlotte [20]. Un confronto tra i risultati di test su ingranaggi nuovi, ingranaggi nuovi con una finitura superficiale migliorata, simile a quella utilizzata in questo lavoro, e ingranaggi con finitura superficiale migliorata e questo sistema di rivestimento applicato è in corso. Sono allo studio anche progetti per testare questo rivestimento su ingranaggi a vite senza fine.
In sintesi
È stato dimostrato che i rivestimenti nanocompositi sono potenzialmente utili per le applicazioni degli ingranaggi. I vantaggi dell’utilizzo di questi rivestimenti sono:
- maggiore capacità di carico
- diminuzione della temperatura di funzionamento
- resistenza alla corrosione
- mantenimento dello stato di trattamento termico dopo il rivestimento
- attrito ridotto tra le superfici in mesh
