Il contributo chiave dei materiali all'affidabilità dei cuscinetti

L’utilizzo di acciai e trattamenti di superficie specifici consente di aumentare notevolmente l’affidabilità dei cuscinetti, che a sua volta contribuisce a ridurre i costi di esercizio complessivi (TCO) di macchinari e apparecchiature.

Nei cuscinetti ad alte prestazioni, la scelta e l’ottimizzazione dei materiali (acciaio) svolge un ruolo chiave. Per questo motivo l’ingegneria dei materiali è una delle quattro tecnologie fondamentali dell’attività di ricerca e sviluppo in NSK. 

 

Purezza del materiale

La durata alla fatica delle leghe di acciaio per cuscinetti, come ad esempio 100 Cr6 (o SUJ2 nella normativa giapponese), dipende principalmente dal contenuto di inclusioni. In particolare, le inclusioni di ossidi o non-metalliche producono effetti negativi sulla superficie della pista di rotolamento. Ad esempio, è noto che le inclusioni di ossido di alluminio, formate dal processo di ossidazione durante la fusione, possono condurre a una riduzione più significativa della durata alla fatica dei cuscinetti.

Questo effetto è dovuto al fatto che le inclusioni di ossido di alluminio sono relativamente dure e si possono disgregare durante la lavorazione dell'acciaio, ad esempio durante la forgiatura. Quando questo fenomeno si verifica, le inclusioni si contraggono e indeboliscono la microstruttura.

In collaborazione con un primario produttore di acciaio, NSK ha sviluppato materiali come acciaio Z, acciaio EP e BNEQUARTET per prevenire questo genere di effetti negativi. Alcuni materiali vengono fabbricati con processi di fusione speciali che riducono il contenuto non-metallico e aumentano la durata alla fatica. 

 

Trattamento termico specifico

Il trattamento termico è un altro fattore che incide sulle caratteristiche specifiche degli acciai e, di conseguenza, sui cuscinetti. Questo accade perché i materiali come l’acciaio SHX di NSK vengono sottoposti a trattamenti termici specifici che li rendono particolarmente resistenti all'usura ad alte temperature di esercizio. Questa tipologia di cuscinetti è richiesta non solo dove il calore è parte integrante del processo, ma in applicazioni, come le macchine utensili, dove le velocità elevate del mandrino generano alte temperatura nei componenti di azionamento.

Durante lo sviluppo, le caratteristiche dell’acciaio SHX sono state verificate mediante prove di resistenza all'usura approfondite, fra cui test di usura a quattro sfere e test dei rulli, oltre ai test di durata alla fatica del materiale e della superficie. 

 

La lega fa la differenza

Il terzo fattore che determina l’affidabilità del cuscinetto è la lega. Le leghe consentono di evitare, o quanto meno ridurre al minimo, la formazione di cricche nella microstruttura del cuscinetto. Sempre in collaborazione con i produttori di acciaio, NSK ha sviluppato diverse leghe speciali per questo profilo applicativo.

Materiali come l’acciaio Super Tough di NSK vengono ottenuti sottoponendo una lega speciale a un trattamento termico ottimale (Figura 1). Ad esempio, la tempra dell’acciaio con un processo di carbonitrurazione aumenta la durata utile di due volte rispetto alla vita stimata in condizioni di lubrificazione contaminata. In ambienti dove il lubrificante contiene normali impurità, la durata utile del cuscinetto può essere addirittura decuplicata. Questo miglioramento delle prestazioni deriva dal fatto che l’usura di superficie causata da insufficiente lubrificazione o contaminazione del lubrificante viene drasticamente ridotta. Inoltre, qualsiasi danno potenziale provocato dalle cricche bianche (“white etching crack", cricche di colorazione bianca nella microstruttura dell'acciaio dei cuscinetti) viene rallentato. 

 

Esempio 1

Lo sviluppo di nuovi materiali risponde solitamente a evoluzioni industriali o cambiamenti nei requisiti applicativi. È il caso della tecnologia BNEQUARTET, introdotta da NSK due anni fa (Figura 2). BNEQUARTET è stata sviluppata in risposta all'incremento continuo delle dimensioni dei cestelli delle lavatrici. I cuscinetti radiali rigidi a sfere utilizzati in tutte le lavatrici a carica frontale in Europa sono soggetti a carichi disomogenei e asimmetrici. Con cestelli sempre più grandi, i carichi di lavaggio maggiori sottopongono i cuscinetti a sollecitazioni sempre più elevate. Gli esperti di materiali di NSK hanno quindi lavorato alla composizione di una lega di acciaio speciale che previene la formazione di cricche e indentature sulle piste di rotolamento e, soprattutto, ne impedisce la propagazione. Inoltre, questo acciaio è particolarmente puro. Gli accorgimenti adottati per la tecnologia BNEQARTET si sono tradotti in una durata doppia della vita utile dei cuscinetti, sebbene soggetti a carichi maggiori e condizioni ambientali sfavorevoli. 

 

Esempio 2

Un altro esempio di materiali sviluppati per applicazioni specifiche viene dal settore eolico. In questo contesto i danni ai cuscinetti sotto forma di cricche WEC possono verificarsi sotto la superficie del materiale (Figura 3). Queste cricche bianche di detriti di ferrite, causate da alterazioni nella microstruttura, sono visibili nelle sezioni trasversali incise e lucidate del materiale. Queste strutture alterate non sono più in grado di sopportare carichi elevati. Si formano così cricche WEC che si propagano e provocano difetti di superficie come vaiolatura o sfaldatura bianca della struttura (WSF).

Gli scienziati non sono mai riusciti a individuare chiaramente le cause delle cricche WEC. Attualmente si pensa che vengano causate dagli effetti dell'interazione fra i componenti all’interno della catena cinematica: dinamica, attrito misto, cariche/correnti elettrice, fattori chimici, movimenti di scivolamento e diffusione di idrogeno.

Adozione di contromisure

Replicando le cricche WEC in laboratorio, NSK è riuscita a sviluppare contromisure come la brunitura degli acciai martensitici per cuscinetti, oltre ad altri materiali specifici (Figura 4). Questo processo aggiuntivo ha dimostrato di rallentare notevolmente l'insorgenza di danni WEC.

Un altro metodo efficace per ridurre la probabilità di cricche WEC è l’uso di anelli realizzati con acciaio Tough Steel di NSK. Utilizzando questa combinazione di materiale e trattamento di superficie, il coefficiente di carico dinamico può essere incrementato tipicamente del 23%, valore che nei cuscinetti volventi equivale a raddoppiare la durata alla fatica. 

Riduzione delle cricche WEC

Per quanto riguarda l'usura di superficie dovuta a scarsa lubrificazione o lubrificante contaminato, questo fenomeno può essere ridotto drasticamente utilizzando cuscinetti STF (Figura 5), ottenendo contestualmente un rallentamento nello sviluppo di cricche WEC. Una serie di test condotti da NSK ha dimostrato che i tempi di insorgenza dei danni sono raddoppiati. 

Un’altra strategia vantaggiosa consiste nell’utilizzare anelli dei cuscinetti realizzati con materiale AWS-TF (Anti-White Structure-Tough), un materiale proprietario di NSK appositamente sviluppato per prevenire cricche WEC. Sono stati effettuati test in serie per misurare la durata utile degli anelli realizzati con acciaio per cuscinetti tradizionale fino all’insorgenza di cricche. La serie di prove è stata poi ripetuta su anelli di AWS-TF. Dopo un periodo di esercizio otto volte superiore ai cuscinetti con anelli di acciaio tradizionale, il materiale non ha mostrato alcun segno di cricche bianche. 

Plastica e ceramica

Lo sviluppo di materiali in NSK non riguarda solo l’acciaio. Vengono testati anche materiali plastici e metalli non ferrosi, come l’ottone, per migliorare in modo mirato le caratteristiche delle gabbie. Inoltre, ceramiche e rivestimenti ceramici (Figura 6) svolgono un ruolo crescente nel definire le proprietà di conduttività elettrica dei cuscinetti e la loro resistenza all’usura. In questo ambito NSK ha introdotto recentemente un materiale ceramico chiamato HDY2, che offre caratteristiche ottimizzate di isolamento e conduttività termica.

Infine, un'altra area dello sviluppo dei materiali riguarda i lubrificanti. La tribologia è un’area di competenza chiave nella struttura di ricerca e sviluppo di NSK, accanto alla tecnologia dei materiali. 

  I cuscinetti radiali rigidi a sfere BNEQARTET vengono impiegati negli azionamenti di apparecchiature elettriche come gli elettrodomestici 

 Tipico esempio di danno: aree bianche sotto la superficie del materiale 

 Cuscinetti bruniti a quattro corone di rulli cilindrici utilizzati come cuscinetti satellite integrati nelle turbine eoliche 

 Vantaggi dell'acciaio Super-TF in presenza di lubrificante contaminato 


  I componenti e rivestimenti ceramici per i cuscinetti sono un’area di ricerca ulteriore in NSK