Quali sono i principali limiti prestazionali dei cuscinetti in acciaio inossidabile nelle applicazioni ad alto carico o ad alta velocità

Cuscinetti in acciaio inossidabile sono ampiamente utilizzati in applicazioni specializzate come la lavorazione alimentare, le apparecchiature mediche e l'ingegneria navale grazie alla loro eccellente resistenza alla corrosione. Tuttavia, se utilizzati con carichi estremi o velocità elevate, le proprietà intrinseche dei materiali dei cuscinetti in acciaio inossidabile, in particolare del tradizionale acciaio inossidabile martensitico AISI 440C, ne limitano le prestazioni.

I. Limitazioni nelle applicazioni ad alto carico: fatica e fragilità

1. Capacità di carico e durata a fatica dei contatti

Sebbene i cuscinetti in acciaio inossidabile AISI 440C possano raggiungere un'elevata durezza (tipicamente 58-60 HRC) attraverso il trattamento termico, offrendo un'eccellente resistenza all'usura, sono ancora in ritardo rispetto agli acciai standard per cuscinetti al cromo ad alto contenuto di carbonio (come GCr15/52100) in termini di prestazioni di base.

Indice di carico dinamico: l'indice di carico dinamico dell'acciaio 440C è generalmente inferiore a quello dell'acciaio 52100. Ciò è dovuto principalmente all'elevato contenuto di cromo nell'acciaio 440C, che forma un gran numero di carburi. Queste particelle di carburo, distribuite nella matrice, possono diventare fonti di cricche nelle aree di concentrazione delle sollecitazioni, influenzando la purezza interna e l'uniformità dell'acciaio.

Resistenza alla fatica da contatto: in condizioni di carico elevato, le piste dei cuscinetti sono soggette a sollecitazioni hertziane estremamente elevate. Se sottoposto a ripetute sollecitazioni di contatto elevate, la durata a fatica da contatto volvente dell'acciaio 440C è inferiore a quella dell'acciaio 52100. Ciò significa che, a parità di condizioni di carico, la durata prevista (L10) di un cuscinetto 440C risulta notevolmente ridotta.

2. Tenacità e resistenza agli urti

440C è un tipico acciaio inossidabile martensitico. La sua elevata durezza va a scapito della tenacità.

Tendenza alla fragilità: a causa del suo alto contenuto di carbonio, il 440C ha una struttura relativamente fragile dopo l'indurimento. Nelle applicazioni con carichi d'urto o forti vibrazioni, questo materiale è più suscettibile a fratture fragili o scheggiature delle piste, soprattutto nelle aree di concentrazione delle sollecitazioni.

Resistenza all'impronta: nonostante la sua elevata durezza, il 440C potrebbe non essere resistente alla brinellatura come gli acciai legati appositamente trattati quando sottoposto a carichi statici o di impatto improvvisi, influenzando la sua precisione geometrica sotto carichi elevati.

II. Sfide prestazionali nelle applicazioni ad alta velocità: aumento della temperatura e stabilità dimensionale

1. Dissipazione del calore e limiti della temperatura operativa

Durante il funzionamento ad alta velocità, l'attrito all'interno del cuscinetto genera una notevole quantità di calore. L’acciaio inossidabile presenta le seguenti sfide termodinamiche:

Conduttività termica: l'acciaio inossidabile, in particolare il 440C, ha in genere una conduttività termica inferiore rispetto al normale acciaio per cuscinetti. Questa minore conduttività termica rende difficile la rapida dissipazione del calore generato all'interno del cuscinetto, portando a un rapido accumulo di aumento della temperatura.

Effetto del rinvenimento: quando la temperatura operativa del cuscinetto supera la temperatura di rinvenimento superiore di 440°C (tipicamente inferiore a 200°C), si verifica un rammollimento secondario, che fa diminuire la durezza del materiale, riducendone significativamente la resistenza all'usura e la capacità di carico. Il calore generato dalle alte velocità può facilmente innescare questo tipo di guasto termico.

2. Gestione della lubrificazione e caratteristiche dell'attrito

Le alte velocità impongono requisiti estremamente elevati alla lubrificazione e le caratteristiche dei cuscinetti in acciaio inossidabile rendono la gestione della lubrificazione ancora più complessa.

Attrito radente: alle alte velocità, l'attrito radente tra le sfere e le piste e tra le sfere e le gabbie/fermi si intensifica. Una lubrificazione inadeguata o una scelta inadeguata del lubrificante possono causare una grave usura adesiva sulla superficie dell'acciaio inossidabile.

Gioco del cuscinetto: a causa della differenza nel coefficiente di dilatazione termica lineare (CTE) di 440°C rispetto ai normali acciai per cuscinetti, insieme all'effetto dell'aumento della temperatura, il gioco interno dei cuscinetti che funzionano ad alte velocità può fluttuare in modo imprevedibile, portando alla perdita di controllo del precarico o ad un aumento dell'attrito, limitando ulteriormente la velocità limite.

3. Limitazioni globali in ambienti complessi

I cuscinetti in acciaio inossidabile sono spesso utilizzati in ambienti corrosivi. In condizioni operative complesse di carichi elevati, velocità elevate e presenza di corrosione, le prestazioni del materiale si deteriorano ulteriormente.

Sinergia di fatica da corrosione: i mezzi corrosivi accelerano la vaiolatura sulla superficie della pista. Questi punti di corrosione diventano fonti di concentrazione di stress. Sottoposti a carichi elevati e ripetuti, possono facilmente indurre fatica da corrosione, portando al cedimento prematuro dei cuscinetti.

Limitazioni dei gradi diversi da 440C: gli acciai inossidabili austenitici (come 304 e 316), che sono più resistenti alla corrosione ma hanno durezza e resistenza inferiori, hanno capacità di carico e velocità operative molto inferiori rispetto ai gradi 440C in condizioni di carico elevato o alta velocità. Generalmente sono adatti solo per ambienti a bassa velocità, con carico leggero ed estremamente corrosivi e non sono adatti per applicazioni con carico elevato o ad alta velocità.