Affidabilità in ambienti estremi

Gli ambienti estremi presentano sfide operative per i cuscinetti standard, che possono essere soggetti a guasti prematuri. Per questo i cuscinetti devono essere configurati con cura, per fornire prestazioni elevate e alta affidabilità. Occorre prestare particolare attenzione alla lubrificazione, ai materiali, ai rivestimenti superficiali e al trattamento termico. In qualità di esperti nei cuscinetti di super-precisione per ambienti gravosi, HQW Precision e The Barden Corporation comprendono appieno le esigenze delle applicazioni più gravose.

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 può avere conseguenze molto onerose. La struttura del cuscinetto ha un impatto molto importante sull’affidabilità, soprattutto in condizioni operative estreme, che includono temperature alte o basse, il vuoto e atmosfere corrosive. Vengono qui prese in esame le considerazioni da fare in fase di specifica dei cuscinetti per ambienti gravosi, per consentire agli ingegneri di garantire nel tempo un’elevata affidabilità e prestazioni eccellenti delle proprie apparecchiature. Un sistema di cuscinetti comprende molti elementi, tra cui 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. Gli elementi più importanti sono la lubrificazione, i materiali, il trattamento termico o i rivestimenti speciali, e analizzando ogni fattore è possibile configurare al meglio i cuscinetti per l’applicazione.

Il funzionamento alle alte temperature

Le applicazioni ad alta temperatura, come quelle presenti 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 rivestimenti e 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.

Affidabilità alle basse temperature

Viceversa, 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

Un’ulteriore considerazione relativa al funzionamento alle basse temperature riguarda la struttura interna del cuscinetto. I cuscinetti sono progettati con un certo grado di gioco radiale, ma con la riduzione delle temperature gli elementi del cuscinetto subiscono una contrazione termica, quindi il gioco radiale si riduce. Se il gioco radiale si riduce a zero durante il funzionamento, si avrà un guasto al cuscinetto. 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. Gli acciai standard per cuscinetti si corrodono facilmente, con un conseguente guasto precoce del cuscinetto. 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.

Stefan Vogel è Responsabile Vendite e Applicazioni presso HQW Precision GmbH e Barney Eley, Ingegnere Applicativo Senior presso The Barden Corporation.