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Testare, valutare, ottimizzare

31. Luglio 2012

Testare, valutare, ottimizzare

Gli additivi formano strati protettivi antiusura nei cuscinetti a rotolamento esposti a carichi meccanici

Durante il funzionamento di cuscinetti a rotolamento, come pure in altri elementi di macchine, possono verificarsi condizioni di lubrificazione sfavorevoli causati da attrito misto. E’ ormai da anni che nei lubrificanti vengono aggiunti additivi per estreme pressioni (extreme pressure, EP) e antiusura (antiwear, AW) in modo da prevenire usura eccessiva dei partner in attrito. Quando avviene un contatto tra parti solide e quindi la temperatura aumenta, gli additivi reagiscono formando uno strato protettivo sulle superfici a contatto. Tale strato, chiamato anche tribolayer, previene un contatto diretto metallo/metallo, come ad esempio tra gli elementi rotanti e l’anello in un cuscinetto, riducendo in questo modo l’usura. L’idoneità dei diversi additivi EP e AW di proteggere dall’usura viene esaminata generalmente su diversi banchi prova di tipo tribologico. I banchi prova si differenziano tra loro per la geometria del contatto, il tipo di movimento, il carico e la temperatura. Con ogni banco prova è possibile testare una particolare sollecitazione alla quale può essere esposto un lubrificante. L’obbiettivo di questi test è confrontare le reazioni degli additivi nelle diverse condizioni di attrito. A questo scopo i punti di attrito vengono trattati con lubrificanti di prova additivati in modo mirato. L’immissione di energia sui contatti tribologici viene impostata su un livello standard in modo da poter valutare le reazioni degli additivi ai vari tipi di movimento. Alla fine della prova vengono analizzate le superfici. I risultati di tale analisi vengono messi in relazione con le condizioni ed i risultati del test, con le caratteristiche degli additivi e con gli strati di reazione. Come additivi si impiegano vari tipi di principi attivi, come additivi antiusura a base di fosfato, additivi per estreme pressioni a base di zolfo e composti di zolfo e fosforo. Tali risultati rendono evidenti la funzione e l’importanza dei lubrificanti nei cuscinetti a rotolamento e forniscono un supporto per il loro sviluppo. Additivi e le loro caratteristiche L’efficacia degli additivi EP si basano sulla loro capacità di formare in caso di temperature, carichi e numeri di giri elevati degli strati di reazione sufficientemente resistenti sulle superficie in metallo quando il naturale strato di ossido è consumato. Tali strati prevengono un contatto diretto tra le parti metalliche anche in caso di occasionali rotture del film lubrificante idrodinamico. Gli additivi di questo tipo sono inoltre spesso in grado di ridurre i picchi di rugosità, favorendo così la formazione di uno strato di lubrificante con effetto idrodinamico – questo comporta però anche un’usura maggiore durante l’esercizio. Per poter formare gli strati descritti, gli additivi EP devono avere delle caratteristiche ben precise. Da un lato devono avere una certa termostabilità e dall’altro proprietà di fisisorbimento e chemisorbimento. Queste proprietà non dipendono solamente dal genere di elementi chimici presenti negli additivi, ma anche dalla struttura delle molecole degli additivi, dalla loro scomponibilità, dal grado di attività dei prodotti di decomposizione e dall’attività chimica del metallo dei corpi in attrito. I reagenti dei metalli sono principalmente compositi al solfuro. Queste sostanze chimiche si caratterizzano per un legame chimico diretto degli elementi attivi agli atomi metallici, formando per esempio solfuro ferroso. L’effetto antiusura dipende in questo caso direttamente dal contenuto di zolfo nell’additivo. Il contenuto di zolfo rappresenta però sempre un compromesso  tra reattività (processo corrosivo) e stabilità (per esempio termica).  Gli additivi AW servono invece principalmente per ridurre l’usura in caso di temperature e carichi moderati. Funzionano in modi diversi: alcuni additivi AW formano degli strati di reazione relativamente spessi e resistenti per separare gli accoppiamenti in attrito. Altri additivi AW formano strati più sottili che funzionano riducendo sollecitazioni di taglio locali che agiscono sulla superficie.Come gli additivi EP anche gli additivi AW reagiscono sotto forma di fisisorbimento  e chemisorbimento con la superficie metallica. I reagenti dei metalli sono soprattutto compositi al fosforo. Queste sostanze chimiche si caratterizzano per una sovente formazione di uno strato amorfo sulla superficie metallica, il cui contenuto di ferro aumenta con le sollecitazioni tribologiche.