Efficienza e affidabilità nelle applicazioni complesse

In condizioni di utilizzo gravose o in ambienti ostili la scelta dei cuscinetti da utilizzare sui macchinari va valutata prestando particolare attenzione alla lubrificazione, ai materiali, ai rivestimenti superficiali e al trattamento termico.

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

La pandemia globale sta accelerando la domanda nel settore industriale di soluzioni che migliorino l’efficienza operativa e l’affidabilità, con conseguenti benefici sui profitti aziendali. In quest’ottica un componente fondamentale per garantire la funzionalità di un macchinario è costituito dai sistemi di cuscinetti, soprattutto in ambienti operativi estremi. Ad esempio le applicazioni nel vuoto, alle alte o basse temperature, o in un’atmosfera corrosiva, creano problemi a queste soluzioni e sono soggette a guasti prematuri. Un sistema di cuscinetti comprende molti elementi che includono sfere, anelli e gabbie e, per migliorare l’affidabilità in situazioni difficile, occorre valutare attentamente ogni elemento. Questo articolo analizza molteplici fattori come la lubrificazione, i materiali e il trattamento termico o i rivestimenti speciali: tutti quegli elementi che occorre considerare per poter configurare al meglio i cuscinetti in base all’applicazione, al fine di offrire un’alta affidabilità e prestazioni eccellenti nel tempo.

Funzionamento nel 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 questi tipi di applicazione sono solitamente utilizzati nei componenti di attuazione all’interno dell’ambiente produttivo. Un altro ambito tipico dei sistemi a vuoto è rappresentato dalle pompe turbo-molecolari (TMP) che generano il vuoto per gli ambienti di produzione. In quest’ultimo caso spesso sono necessari componenti per il funzionamento ad alta velocità. Nelle condizioni appena descritte la lubrificazione è fondamentale: i grassi standard evaporano e inoltre rilasciano gas, e la mancanza di una lubrificazione efficace può provocare guasti al cuscinetto. È quindi necessario ricorrere a prodotti speciali: nel dettaglio per gli ambienti ad alto vuoto (fino a circa 10^-7 mbar) è possibile utilizzare i grassi PFPE che offrono una resistenza molto più elevata all’evaporazione. Per gli ambienti ad altissimo vuoto (10^-9 mbar e meno) è occorre impiegare lubrificanti e rivestimenti solidi. Infine 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 a oltre 40.000 ore (circa 5 anni) di utilizzo continuo e funzionamento ad alta velocità. 

La gestione delle basse temperature 

Un altro fattore da prendere in considerazione nella scelta dei cuscinetti è la gestione delle basse temperature, come accade ad esempio in applicazioni di pompaggio criogenico in cui si arriva a  -190°C: in queste condizioni i lubrificanti a olio diventano cerosi, con un conseguente danno per i cuscinetti. I lubrificanti solidi, come il disolfuro di molibdeno (MOS₂) o il disolfuro di tungsteno (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. A questo proposito 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 l’impiego a basse temperature. La  gabbia per essere il più possibile resistente all’usura dovrebbe essere realizzata in polietere-etere-chetone (PEEK), policlorotrifluoroetilene (PCTFE) e in plastica poliammide-immide (PAI) comunemente chiamata Torlon®. Per migliorare la stabilità dimensionale alle basse temperature è necessario sottoporre gli anelli a un apposito trattamento termico. Un altro aspetto da prendere in considerazione riguarda la struttura interna del cuscinetto che prevede un certo grado di gioco radiale. A basse temperature, però, gli elementi del cuscinetto subiscono una contrazione termica, e questa flessibilità si può ridurre a zero compromettendo il funzionamento del componente stesso. Pertanto i cuscinetti destinati ad applicazioni con temperature rigide devono essere progettati con un maggiore gioco radiale a temperatura ambiente, per consentire un livello accettabile di elasticità in condizioni operative estreme. 

Affidabilità ad alta temperatura

All’opposto anche le applicazioni ad alta temperatura, come quelle dei sistemi di attuazione nell’industria aerospaziale, possono essere impegnative per 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 ulteriore problema per un componente normale. 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, determinando il guasto del cuscinetto. I grassi standard sono spesso soggetti a un limite massimo di circa 120°C, e alcuni oli convenzionali 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 superare i 250°C. Laddove non è possibile la lubrificazione liquida, quella solida costituisce un’opzione che consente un funzionamento affidabile a bassa velocità e temperature ancora più elevate. In questo caso sono raccomandati come lubrificanti solidi il MOS2, il WS2, la grafite o il politetrafluoroetilene (PTFE), in quanto sono in grado di tollerare temperature molto elevate per periodi di tempo più lunghi.  Nel caso in cui si superino i 300°C, sono necessari anche 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. Il BG42 è un altro acciaio comunemente consigliato che presenta una buona durezza a 300°C, essendo caratterizzato da alti livelli di resistenza alla corrosione ed essendo inoltre meno suscettibile alla fatica e all’usura. Sono inoltre necessarie gabbie per le alte temperature che possono essere realizzate in materiali polimerici speciali, tra cui il PTFE, il poliimmide (PI), il PAI (Torlon®) e il 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. 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 problemi o mancanza di olio, la placcatura d’argento agisce come un lubrificante solido consentendo al cuscinetto di continuare a funzionare per un breve periodo di tempo o in una situazione di emergenza.

Resistenza alla corrosione

I cuscinetti destinati all’utilizzo in ambienti corrosivi devono essere configurati appositamente, in quanto possono essere esposti potenzialmente a sostanze chimiche aggressive tra cui acidi, alcali e acqua salata. In questi casi la scelta dei materiali è di fondamentale importanza. Gli acciai standard 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 questo materiale 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 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 aggressive.

Ottenere di più dalla lubrificazione dei substrati

Un’altra tipologia di ambiente che può creare delle criticità è data dalle applicazioni in cui il substrato agisce come lubrificante, ad esempio i refrigeranti, l’acqua o i fluidi idraulici. In tutti questi casi 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. In conclusione i cuscinetti standard sono soggetti a rischi di guasti prematuri in condizioni difficili, non essendo in grado di sopportare i rigori degli ambienti estremi. Per garantire un’elevata affidabilità di questi componenti, occorre prestare particolare attenzione alla lubrificazione, ai materiali, ai rivestimenti superficiali e al trattamento termico. In queste applicazioni i cuscinetti devono essere configurati con cura, per renderli adatti allo scopo e in grado di fornire prestazioni eccellenti nel tempo. In qualità di esperti nei cuscinetti di super-precisione per ambienti gravosi, HQW Precision e The Barden Corporation comprendono appieno le esigenze delle applicazioni difficili. Lavorando insieme nel programma “Partners in Precision”, le aziende condividono le conoscenze con i clienti in tutto il mondo, e ciò li aiuta a migliorare l’affidabilità dei loro componenti. Per maggiori informazioni visitate www.hqw.gmbh o www.bardenbearings.co.uk.