Le macchine rotanti industriali si affidano ai cuscinetti volventi per ridurre l’attrito, il consumo di energia e la generazione di calore, supportando contemporaneamente carichi applicati sempre più pesanti a velocità più elevate con un grado di precisione più elevato. Migliaia di tipi e stili di cuscinetti offrono un’ampia gamma di soluzioni adatte ad applicazioni in vari settori.
Tuttavia, alcune condizioni applicative presenteranno sfide particolari per i cuscinetti volventi, ponendo potenziali minacce all’ottimizzazione delle prestazioni e della durata dei cuscinetti. In questo contesto, sono stati sviluppati vari rivestimenti speciali per cuscinetti per affrontare minacce specifiche e, nel processo, contribuire a migliorare le prestazioni dei cuscinetti e l’operatività dei macchinari.
La maggior parte dei tipi di cuscinetti può essere rivestita (dal produttore) per servire in nuove applicazioni o come sostituzioni “drop-in” in macchinari esistenti. In entrambi i casi, le dimensioni del cuscinetto rimangono invariate. A seconda della formulazione e dello scopo, i rivestimenti dei cuscinetti possono ridurre gli effetti dannosi delle vibrazioni, migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa lubrificazione, aiutare a prevenire l’usura dell’adesivo (danni da sbavatura), migliorare la resistenza alla corrosione e ridurre l’attrito.
Resistenza all’usura
I cuscinetti in servizio possono essere soggetti a usura per molte ragioni, sia a causa di condizioni di lubrificazione scadenti (associate ad alte temperature e/o basse viscosità del lubrificante), improvvise variazioni di carico o velocità, vibrazioni da fermo e/o particelle o contaminanti liquidi. Tutto ciò può portare a una vita utile dei cuscinetti (e dei macchinari) notevolmente più breve nel tempo.
Fornendo una difesa efficace contro l’usura prematura dei cuscinetti e altre condizioni, alle superfici di contatto interne dei cuscinetti (elementi volventi e/o piste di rotolamento) è possibile applicare un rivestimento in carbonio resistente all’usura brevettato, spesso solo pochi micron. Le superfici in acciaio rivestito conservano la tenacità del materiale sottostante, adottando la durezza migliorata, le proprietà di attrito ridotte e la resistenza all’usura migliorata del rivestimento in carbonio, che ha un aspetto e una consistenza simili al nitruro di silicio (ceramica).
L’esecuzione più comune prevede il rivestimento dei corpi volventi dei cuscinetti, pur utilizzando le tradizionali piste di rotolamento in acciaio. Durante il periodo di rodaggio, piccole quantità di materiale di rivestimento si trasferiranno sulle contro superfici. Questo trasferimento rafforza la riduzione dell’attrito e migliora la resistenza all’usura e ai danni da sbavatura.
Le applicazioni tipiche per un rivestimento antiusura includono ventilatori industriali, riduttori, macchine per la carta e compressori, tra molti altri. Un tale rivestimento può resistere in particolare a una varietà di condizioni operative severe, inclusi rischi di sbavature, pellicola di lubrificazione insufficiente, variazioni di carico improvvise, carichi leggeri, rapidi cambiamenti di velocità, vibrazioni e oscillazioni e temperatura di esercizio elevata. Le proprietà uniche del rivestimento migliorano ulteriormente le capacità ad alta velocità e aiutano a tollerare condizioni di contaminazione e/o scarsa lubrificazione.
I risultati previsti per il cuscinetto rivestito includono una maggiore affidabilità, una maggiore durata e minori possibilità di guasti prematuri dovuti ad attrito, usura, sollecitazione superficiale e fatica.
Isolante contro le correnti vaganti
Quando una corrente alternata o continua vagante in un motore elettrico o generatore utilizza un cuscinetto come percorso verso terra, è probabile che si svilupperà l’erosione elettrica del cuscinetto. Le cause più comuni della corrente elettrica vagante che porta alla potenziale erosione sono l’asimmetria nel circuito magnetico di un motore, i cavi di alimentazione non schermati e/o i convertitori di frequenza a modulazione di larghezza di impulso (PWM) a commutazione rapida utilizzati negli azionamenti a frequenza variabile (VFD).
Un assortimento di cuscinetti che integra rivestimenti speciali
Le correnti elettriche vaganti possono danneggiare i cuscinetti in almeno tre modi:
Eccessiva erosione di corrente. Quando la corrente elettrica passa attraverso un cuscinetto da un anello all’altro attraverso i corpi volventi, crea un processo simile alla saldatura ad arco elettrico, concentrando un’elevata densità di corrente su una piccola superficie di contatto. Di conseguenza, la temperatura estrema localizzata provoca la fusione e la saldatura del materiale del cuscinetto, che crea microcrateri, vaiolature e cambiamenti nella struttura del grano dell’acciaio del cuscinetto.
Erosione di dispersione di corrente. Quando una corrente elettrica vagante a bassa intensità passa attraverso un cuscinetto, il trasferimento di energia elettrica provoca archi dannosi all’interno del cuscinetto. Il danneggiamento secondario del cuscinetto può apparire come scanalature (“washboarding”) sulle piste dei cuscinetti e/o sugli elementi volventi. La finitura superficiale dei corpi volventi può diventare opaca con un aspetto smerigliato. L’entità del danno dipenderà dal tipo di cuscinetto, dalle dimensioni del cuscinetto, dal regime elettrico, dal carico del cuscinetto, dalla velocità e dal lubrificante.
Degrado del lubrificante. Le alte temperature dei cuscinetti causate dalla corrente elettrica possono causare la carbonizzazione o la combustione degli additivi in un lubrificante, con conseguente consumo più rapido degli additivi. L’aumento della temperatura provoca anche un rapido invecchiamento e ossidazione del lubrificante. In caso di lubrificazione a grasso, il grasso diventa nero e duro. Questa rapida rottura riduce drasticamente la durata del grasso e, a sua volta, la durata dei cuscinetti a causa dell’usura e dell’affaticamento della superficie (scheggiatura).
Una volta che il danno ai cuscinetti dovuto all’erosione elettrica è iniziato, possono seguire un aumento dei livelli di rumore, una ridotta efficacia del lubrificante per cuscinetti, un aumento del calore e delle vibrazioni eccessive, il tutto minacciando di ridurre drasticamente il potenziale operativo di un cuscinetto.
I cuscinetti che soffrono di danni dovuti all’erosione elettrica funzioneranno con un aumento del rumore, delle vibrazioni, della generazione di calore e dell’attrito. Il lubrificante degradato aumenterà l’usura e lo stress superficiale all’interno del cuscinetto e ridurrà notevolmente le prestazioni e la durata del cuscinetto.
Un modo per prevenire danni da correnti elettriche vaganti che passano attraverso un cuscinetto consiste nell’introdurre un rivestimento isolante per il cuscinetto “dall’esterno” in alternativa all’utilizzo di materiali per cuscinetti con proprietà isolanti, come la ceramica. Ciò può essere ottenuto con uno speciale rivestimento protettivo sul foro del cuscinetto o sulla superficie del diametro esterno.
Il sottile strato di ossido di alluminio del rivestimento conferisce una funzione di isolamento elettrico al cuscinetto per formare una barriera superiore contro l’arco elettrico e la dannosa erosione delle superfici del cuscinetto. Il rivestimento viene applicato (dal produttore) al foro del cuscinetto o al diametro esterno, a seconda delle dimensioni del cuscinetto, utilizzando una tecnica di plasma spray. Dopo l’applicazione, il rivestimento non cambierà le dimensioni complessive del cuscinetto e non richiederà modifiche all’attrezzatura.
Per aggiungere valore, i cuscinetti con questo tipo di rivestimento protettivo sono ulteriormente trattati con un’esclusiva resina sigillante per proteggerli dall’umidità e dall’acqua che penetrano nel rivestimento e ne riducono potenzialmente l’efficacia. Ciò è particolarmente rilevante per le applicazioni situate in ambienti operativi umidi.
Opzioni di espansione
Il mondo dei rivestimenti speciali per il trattamento superficiale dei cuscinetti continua ad espandersi in risposta alle sfide specifiche dell’applicazione.
Ad esempio, l’ossido nero applicato agli anelli e/o agli elementi volventi di un cuscinetto può promuovere una maggiore affidabilità e prestazioni in applicazioni particolarmente pesanti, come i riduttori industriali. Il processo di trattamento, che comporta una reazione chimica sullo strato superficiale dell’acciaio del cuscinetto, viene eseguito (dal produttore) in una soluzione salina acquosa alcalina a temperature definite. Fino a 15 diversi passaggi di immersione creano uno strato superficiale sottile e nero scuro di ossido di ferro FE3O4 che offre un miglioramento delle prestazioni per un’ampia gamma di tipi e dimensioni di cuscinetti.
Questo trattamento può aumentare i tempi di attività del macchinario migliorando la resistenza alla corrosione e all’usura adesiva (sbavatura); miglioramento delle prestazioni in condizioni di lubrificazione a bassa viscosità; limitare il rischio di fretting, micro pitting e cracking; ridurre i potenziali danni da additivi aggressivi per l’olio; e riducendo gli effetti di attrito e usura.
Come altro esempio, un rivestimento in zinco cromato per ambienti particolarmente corrosivi può servire come alternativa ai cuscinetti in acciaio inossidabile. Le unità con cuscinetti a sfera pronte per il montaggio, spesso soggette a condizioni altamente corrosive, sono i principali candidati per questo trattamento di rivestimento dei cuscinetti.
Tutte queste soluzioni dimostrano che i rivestimenti speciali possono essere opzioni pratiche ed economiche per aiutare a massimizzare le prestazioni operative e la durata dei cuscinetti, anche in condizioni difficili. La consulenza con un produttore di cuscinetti qualificato ed esperto può aiutare a identificare e scegliere il rivestimento più adatto per la sfida dell’applicazione.