Resistenza all’usura nei componenti sinterizzati: da cosa dipende e come aumentare la durata

La durata di un componente meccanico non dipende soltanto dalla sua resistenza ai carichi.

In moltissime applicazioni industriali, uno dei fenomeni che determina realmente la vita utile del particolare è l'usura.

Ingranaggi, boccole, guide, componenti di trasmissione e numerosi altri particolari lavorano continuamente a contatto con altre superfici. Attrito, pressione, velocità, temperatura e lubrificazione possono quindi modificare progressivamente le superfici fino a compromettere il corretto funzionamento del sistema.

Anche nei componenti sinterizzati la resistenza all'usura rappresenta un parametro fondamentale.

Ma da cosa dipende?

La risposta non è riconducibile a un singolo elemento.

Materiale, densità, porosità, durezza, lubrificazione, finitura superficiale e trattamenti successivi contribuiscono insieme a determinare il comportamento del componente durante il suo utilizzo.

Che cosa si intende per usura di un componente?

L'usura è il progressivo deterioramento di una superficie provocato dall'interazione con un'altra superficie, con particelle o con l'ambiente nel quale il componente opera.

Durante il funzionamento possono verificarsi differenti meccanismi di usura.

Tra i più comuni troviamo:

• usura adesiva;

• usura abrasiva;

• usura superficiale;

• fenomeni legati alla fatica da contatto;

• usura favorita da lubrificazione insufficiente.

Nelle applicazioni reali questi fenomeni possono anche presentarsi contemporaneamente.

Per questo motivo valutare la resistenza all'usura significa analizzare l'intero sistema di funzionamento, non soltanto il materiale utilizzato.

Perché i componenti sinterizzati possono offrire un'elevata resistenza all'usura?

Uno dei vantaggi della metallurgia delle polveri è la possibilità di modulare numerose caratteristiche del componente.

Attraverso la scelta della lega, il controllo della densità e gli eventuali trattamenti successivi è possibile sviluppare particolari destinati a condizioni operative molto differenti.

In alcune applicazioni è inoltre possibile sfruttare la porosità del materiale per trattenere lubrificante, riducendo l'attrito tra le superfici.

La resistenza all'usura nasce quindi dall'equilibrio tra più caratteristiche progettuali.

1. La scelta del materiale

Il primo elemento da valutare è la composizione del materiale.

Ferro, bronzo, acciai sinterizzati e leghe specifiche presentano caratteristiche differenti in termini di:

• durezza;

• coefficiente di attrito;

• resistenza meccanica;

• comportamento termico;

• capacità di lavorare in presenza o assenza di lubrificazione.

Non esiste quindi un materiale universalmente più resistente all'usura.

La scelta dipende sempre dalle condizioni nelle quali dovrà lavorare il componente.

2. Il ruolo della densità

Come abbiamo analizzato parlando della densità dei componenti sinterizzati, aumentando la densità è possibile modificare significativamente le caratteristiche del materiale.

In numerose applicazioni una maggiore densità può contribuire al miglioramento delle proprietà meccaniche e del comportamento della superficie.

Ma anche in questo caso vale una regola fondamentale:

la densità massima non rappresenta necessariamente la soluzione migliore.

Se il componente deve sfruttare la propria porosità per contenere lubrificante, ad esempio, una densificazione eccessiva potrebbe ridurre proprio questa capacità.

Il corretto equilibrio dipende quindi dalla funzione del particolare.

3. Durezza e resistenza all'usura non sono la stessa cosa

È facile pensare che aumentando la durezza si elimini automaticamente il problema dell'usura.

In realtà il rapporto è più complesso.

La durezza può rappresentare un parametro importante, ma il comportamento tribologico dipende anche da:

• materiale della superficie antagonista;

• pressione di contatto;

• velocità relativa;

• lubrificazione;

• temperatura;

• rugosità;

• presenza di contaminanti.

Un componente estremamente duro ma utilizzato in condizioni non corrette può comunque manifestare problemi di usura.

Per questo è necessario considerare l'intero accoppiamento meccanico.

4. La lubrificazione

Tra i fattori più importanti per ridurre l'usura troviamo la corretta lubrificazione.

Il lubrificante crea una separazione tra le superfici, contribuendo a limitare il contatto diretto e quindi l'attrito.

Nei componenti sinterizzati questo principio può essere sfruttato in modo particolarmente interessante.

La struttura porosa di alcune boccole, ad esempio, permette di immagazzinare olio all'interno del materiale.

Durante il funzionamento il lubrificante viene reso disponibile sulla superficie di scorrimento, contribuendo alla formazione del film lubrificante.

È il principio alla base delle boccole sinterizzate autolubrificanti.

5. La rugosità della superficie antagonista

Quando si parla di usura di una boccola o di un componente di scorrimento, non bisogna analizzare soltanto il componente sinterizzato.

Anche la superficie con cui lavora è fondamentale.

Una superficie antagonista non adeguata può aumentare l'attrito e accelerare il deterioramento del sistema.

Rugosità, durezza, geometria e precisione dell'accoppiamento devono quindi essere considerate durante la progettazione.

È un punto importante perché spesso il problema viene attribuito esclusivamente alla boccola o al componente, quando in realtà deriva dall'interazione tra più elementi.

6. Carico e velocità

Due componenti identici possono avere durate completamente differenti se utilizzati in condizioni operative diverse.

Un aumento del carico incrementa le sollecitazioni sulle superfici.

Un aumento della velocità può modificare attrito, temperatura e comportamento del lubrificante.

Per questo motivo carico e velocità devono essere valutati insieme.

Nel caso delle boccole e dei cuscinetti a strisciamento assume particolare importanza anche il rapporto tra pressione e velocità di scorrimento.

La scelta del componente non dovrebbe quindi essere effettuata considerando esclusivamente le dimensioni geometriche.

7. La temperatura di esercizio

L'aumento della temperatura può modificare significativamente il comportamento del sistema.

Può influenzare:

• viscosità del lubrificante;

• attrito;

• proprietà del materiale;

• dilatazioni dimensionali;

• comportamento delle superfici.

Un componente destinato a lavorare a temperatura ambiente non presenta necessariamente le stesse esigenze di uno utilizzato in prossimità di fonti di calore o sottoposto a cicli termici continui.

La temperatura reale di esercizio deve quindi essere conosciuta già durante la progettazione.

8. I trattamenti dopo la sinterizzazione

Quando le condizioni operative lo richiedono, le caratteristiche del componente possono essere ulteriormente migliorate attraverso trattamenti successivi.

A seconda del materiale possono essere valutati trattamenti termici o superficiali destinati ad aumentare durezza e resistenza all'usura.

DL Sintered utilizza, in funzione delle esigenze applicative, processi come carbocementazione, carbonitrurazione, nitrurazione, ossidazione e altre lavorazioni post-sinterizzazione.

La scelta deve tuttavia essere effettuata sulla base delle prestazioni effettivamente necessarie.

Aggiungere un trattamento senza una reale esigenza significa aumentare complessità e costo senza necessariamente ottenere un vantaggio utile.

Perché un componente può usurarsi prima del previsto?

Quando un componente presenta un'usura prematura, la causa non è necessariamente un difetto del materiale.

Tra le possibili ragioni possono esserci:

• materiale non adeguato all'applicazione;

• carico superiore a quello previsto;

• velocità eccessiva;

• lubrificazione insufficiente;

• temperatura troppo elevata;

• contaminazione da particelle abrasive;

• accoppiamento dimensionale non corretto;

• superficie antagonista non idonea;

• disallineamenti durante il funzionamento.

Prima di modificare il materiale è quindi necessario comprendere quale fenomeno stia realmente causando l'usura.

Come aumentare la durata di un componente sinterizzato

L'approccio più efficace consiste nel considerare il problema già durante la progettazione.

Occorre conoscere il più precisamente possibile:

• funzione del componente;

• materiale della superficie antagonista;

• carico;

• velocità;

• temperatura;

• ambiente operativo;

• sistema di lubrificazione;

• numero di cicli previsto.

Queste informazioni permettono di definire materiale, densità, geometria ed eventuali trattamenti in maniera molto più precisa.

L'approccio DL Sintered: analizzare l'applicazione prima del componente

Quando si cerca di aumentare la durata di un particolare, intervenire esclusivamente sul materiale può non essere sufficiente.

Il componente fa parte di un sistema.

Per questo motivo è importante comprendere non soltanto che cosa deve essere prodotto, ma anche come quel particolare dovrà lavorare.

Conoscere carico, velocità, accoppiamento, lubrificazione e condizioni ambientali permette di individuare eventuali criticità prima dell'avvio della produzione.

In molti casi questo consente di intervenire sul progetto con modifiche relativamente semplici, evitando problemi che potrebbero emergere soltanto durante l'utilizzo del componente.

Quanto dura un componente sinterizzato?

Non esiste una durata universale.

Due componenti apparentemente identici possono raggiungere vite operative molto differenti in funzione delle condizioni nelle quali vengono utilizzati.

Per questo motivo la durata non dovrebbe essere valutata esclusivamente in base al materiale.

È il risultato dell'interazione tra:

materiale + densità + geometria + superficie antagonista + carico + velocità + temperatura + lubrificazione + ambiente di lavoro.

Comprendere questo concetto è fondamentale per progettare componenti realmente affidabili.

Conclusioni

La resistenza all'usura di un componente sinterizzato non dipende da un'unica caratteristica.

È il risultato di un equilibrio tra materiale, densità, durezza, porosità, lubrificazione, condizioni operative e trattamenti.

Per aumentare la durata del componente è quindi necessario analizzare l'applicazione nel suo complesso, evitando di concentrarsi esclusivamente su un singolo parametro.

È proprio questa possibilità di intervenire su numerosi aspetti del materiale e del processo produttivo che rende la metallurgia delle polveri particolarmente interessante per la realizzazione di componenti destinati a lavorare in condizioni meccaniche complesse.

Domande frequenti

I componenti sinterizzati resistono bene all'usura?

Possono essere progettati per offrire elevate prestazioni contro l'usura, ma il risultato dipende dal materiale, dalla densità, dagli eventuali trattamenti e soprattutto dalle condizioni reali di esercizio.

Aumentare la durezza aumenta sempre la durata?

Non necessariamente. La durezza è solo uno dei parametri che influenzano l'usura. Lubrificazione, carico, velocità, temperatura e superficie antagonista possono essere altrettanto importanti.

Perché una boccola sinterizzata può usurarsi velocemente?

Le cause possono includere carichi o velocità non compatibili, lubrificazione insufficiente, temperatura elevata, contaminazione, disallineamento oppure caratteristiche non corrette dell'albero.

È possibile aumentare la resistenza all'usura dopo la sinterizzazione?

In determinate applicazioni sì. Possono essere utilizzati trattamenti termici e superficiali compatibili con il materiale e con le prestazioni richieste.

Come si sceglie un componente sinterizzato destinato a lavorare sotto attrito?

È necessario valutare insieme materiale, carico, velocità, temperatura, lubrificazione, superficie antagonista e durata prevista, anziché basarsi soltanto sulle dimensioni del componente.