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Tutto quello che dovresti sapere sui materiali dei cuscinetti
I cuscinetti sono fondamentali per la produzione industriale e vengono utilizzati in moltissimi tipi di apparecchiature e macchinari. Dalle semplici attrezzature industriali ai macchinari più complessi, i cuscinetti riducono l'attrito e consentono di gestire diversi tipi di carico. Pertanto, l'utilizzo di materiali di qualità e affidabili è cruciale per il processo di produzione dei cuscinetti.
Materiali diversi vengono utilizzati per produrre vari tipi di cuscinetti di alta qualità e i loro numerosi componenti. Questi materiali sono sottoposti ad un processo specifico per ottenere le proprietà desiderate che aumentano la durata e le prestazioni del cuscinetto. I team dell'AUB possono discutere i diversi materiali utilizzati nella produzione dei cuscinetti e come ciascuno di essi influisce sull'uso, sull'integrità e sul funzionamento del cuscinetto.
Le prestazioni di qualsiasi cuscinetto dipendono dalle proprietà della lega scelta e dal suo trattamento termico. La selezione di un materiale con la corretta durezza, resistenza alla corrosione e durata a fatica garantisce che il cuscinetto funzionerà in modo affidabile entro i parametri operativi e ambientali dell'applicazione. AUB utilizza materiali diversi per produrre vari componenti dei cuscinetti. Questi materiali vengono lavorati per ottenere caratteristiche ideali per massimizzare le prestazioni e la durata dei cuscinetti. I materiali qui descritti sono quelli più comunemente utilizzati. Il materiale del cuscinetto è trattato termicamente internamente per garantire durezza e stabilità dimensionale ottimali.
Cuscinetti in acciaio cromato – 52100
Il materiale più comunemente utilizzato per la produzione di componenti portanti in cuscinetti a sfere, a rulli e a rulli conici di precisione è l'acciaio al cromo 52100. Questi componenti comprendono anelli interni ed esterni, sfere e rulli. La composizione chimica di questo acciaio è ricca di carbonio e contiene circa l'1.5% di cromo. Grazie a processi di lavorazione e trattamento termico controllati, i componenti finiti dei cuscinetti presentano un'elevata resistenza alla fessurazione e superfici dure per resistere alla fatica da contatto di rotolamento sottosuperficiale. La durezza superficiale tipica dei componenti dei cuscinetti realizzati con questo materiale varia da 60 a 64 sulla scala Rockwell C (Rc).
Ha un costo accettabile, un elevato livello di durezza e un rumore di funzionamento più silenzioso. Pertanto, i vantaggi derivanti dall'utilizzo dei cuscinetti in acciaio al cromo sono l'elevata durezza, l'elevata capacità di carico, il basso decibel e l'ampia accessibilità. Tuttavia, deve rimanere lubrificato e non è resistente alla corrosione o agli agenti chimici. Si consiglia agli utenti di proteggere i cuscinetti in acciaio cromato con un rivestimento oleoso o antiruggine per prevenire la corrosione.
Acciaio cromato 52100 ultra pulito
L'acciaio grezzo utilizzato per produrre cuscinetti di alta precisione viene trattato con un'ulteriore fase di fusione, ottenendo un acciaio con una struttura molto uniforme di materiale a grana fine: acciaio al cromo 52100 ultra pulito. Le superfici di contatto dei cuscinetti possono essere superfinite molto lisce, quindi i cuscinetti funzionano molto silenziosamente.
Il metodo di trattamento termico più comune per gli acciai al cromo è quello di raffreddare l'acciaio in un forno ad atmosfera controllata. I cuscinetti in acciaio al cromo possono funzionare a temperature continue fino a 120°C. Laddove si incontrano temperature più elevate, il gruppo cuscinetto può essere stabilizzato termicamente. Variando il processo di trattamento termico è possibile produrre cuscinetti in grado di funzionare a temperature pari o superiori a 220°C. Per queste applicazioni, i componenti dei cuscinetti devono essere temprati a temperature più elevate corrispondenti alle temperature di esercizio. Questo aumento del rinvenimento ha un effetto negativo sulla durezza del materiale e la capacità di carico del cuscinetto viene ridotta.
Come si può vedere dalla tabella sottostante, la composizione chimica standard degli acciai al cromo varia da paese a paese.
Un altro materiale comune utilizzato per realizzare i cuscinetti è l'acciaio inossidabile. L'acciaio inossidabile è un materiale popolare per i cuscinetti a causa del suo elevato contenuto di cromo e carbonio, che è resistente alla corrosione superficiale rispetto all'acciaio cromato. Esistono più di 60 gradi di acciaio inossidabile, ognuno dei quali varia in base alla sua composizione e alle proprietà fisiche. In generale, la composizione dell'acciaio inossidabile comprende quantità variabili di cromo, carbonio, fosforo, nichel, manganese e molibdeno. Inoltre, i gradi aiutano a descrivere le proprietà delle leghe di acciaio inossidabile, tra cui resistenza alla corrosione e alla temperatura, risposta magnetica, tenacità, duttilità, saldabilità e incrudimento.
Oltre a contenere almeno il 18% di cromo, l'acciaio inossidabile contiene anche nichel. Il cromo presente nell'acciaio inossidabile reagisce chimicamente quando esposto all'ossigeno, formando uno strato di ossido di cromo sulla superficie dei componenti del cuscinetto. Questa pellicola chimica passivante fornisce una protezione aggiuntiva al cuscinetto. Tuttavia, i cuscinetti in acciaio inossidabile sono meno duri a causa del loro contenuto di carbonio. Di conseguenza, hanno una capacità di carico inferiore del 20% rispetto ai cuscinetti in acciaio cromato 52100.
Esistono due tipi comuni di cuscinetti in acciaio inossidabile: martensitici e austenitici. I cuscinetti in acciaio inossidabile martensitico (SV30) spesso subiscono deterioramento durante la lavorazione dell'acciaio originale, con conseguente riduzione del contenuto di carbonio e aumento del contenuto di azoto nel materiale. Il risultato è un acciaio con elevata resistenza, durezza e maggiore resistenza alla corrosione. I cuscinetti in acciaio inossidabile austenitico (AISI316), invece, sono non magnetici e altamente resistenti alla corrosione grazie al loro basso contenuto di carbonio. Tuttavia, possono essere utilizzati solo per applicazioni a basso carico e a bassa velocità.
Il contenuto di carbonio nell'acciaio inossidabile della serie 400 è sufficientemente elevato da poter essere indurito a Rc58 utilizzando metodi di trattamento termico standard. I cuscinetti realizzati con questo materiale hanno una capacità di carico inferiore del 20% rispetto ai cuscinetti in acciaio cromato 52100 a causa della minore durezza. Il livello di contenuto di carbonio indica che il componente è magnetico. La resistenza alla corrosione è “Buona” quando il materiale 440C è esposto ad acqua dolce e sostanze chimiche delicate. Questo materiale è molto popolare tra i produttori di cuscinetti americani.
I cuscinetti realizzati in acciaio inossidabile 440C convenzionale saranno leggermente rumorosi perché i carburi, che solitamente si concentrano ai bordi dei grani, vengono esposti durante la finitura delle piste. I cuscinetti con alesaggi più grandi non sono interessati da questa condizione. I cuscinetti realizzati in acciaio inossidabile della serie 400 possono funzionare a temperature più elevate rispetto all'acciaio al cromo, fino a 250°C in continuo. I cuscinetti realizzati con questo materiale sono generalmente costosi rispetto ai cuscinetti in acciaio cromato.
Acciaio inossidabile AISI 440: eccellente tenacità e durezza con buona resistenza alla corrosione. Questo materiale è ampiamente utilizzato nelle applicazioni di cuscinetti dove sono richieste tolleranze e finiture superficiali precise. Il trattamento termico ordinario può essere eseguito in conformità con MIL-H-6875. I cuscinetti in acciaio inossidabile sono disponibili in una varietà di gradi e composizioni di materiali in acciaio inossidabile. I vantaggi dei cuscinetti in acciaio inossidabile includono: Resiste a condizioni corrosive severe con conseguente maggiore durata, costi di manutenzione ridotti e tempi di fermo delle apparecchiature. L'esposizione all'acqua di mare è una delle applicazioni più difficili nel mondo dei cuscinetti. Sono disponibili qualità speciali di acciaio inossidabile per applicazioni con acqua di mare.
Cuscinetti in acciaio inossidabile martensitico – ACD34 / KS440 / X65Cr13
Molti produttori di cuscinetti utilizzano acciaio inossidabile con un contenuto di carbonio e cromo leggermente inferiore rispetto all'AISI 440C, noto con vari nomi come ACD34, KS440 e X65Cr13, per i loro anelli e sfere. Quando trattato termicamente, questo materiale presenta carburi più piccoli, quindi il cuscinetto avrà eccellenti caratteristiche di bassa rumorosità fornendo allo stesso tempo la stessa resistenza alla corrosione del 440C. Alcuni produttori pubblicano gli stessi coefficienti di carico dell'acciaio al cromo per i cuscinetti prodotti con questo materiale. Ciò è dovuto all'uso di un trattamento termico strettamente controllato con una durezza fino a Rc 60. Sebbene sia uno degli acciai inossidabili più utilizzati per i cuscinetti a sfere, questo materiale non ha la denominazione AISI.
Cuscinetti in acciaio inossidabile martensitico – SV30
Gli acciai inossidabili martensitici possono essere modificati durante la lavorazione dell'acciaio grezzo riducendo il contenuto di carbonio e introducendo azoto come elemento legante. L'azoto aumenta la saturazione del cromo, che si trasforma in nitruro di cromo invece che in carburo di cromo. Il risultato è un acciaio ad alta resistenza ed elevata durezza con un'eccellente microstruttura che può aumentare la resistenza alla fatica fino al 100% (il doppio) in alcune applicazioni. Questo materiale ha anche una maggiore resistenza alla corrosione, addirittura 5 volte migliore rispetto a 440C e ACD34. I cuscinetti realizzati con questo materiale possono costare dal 20 al 40%, ma questo valore è solitamente compensato dai vantaggi di prestazioni superiori.
Acciaio inossidabile austenitico
Gli acciai inossidabili austenitici della serie 300 sono utilizzati per parti non portanti. I componenti dei cuscinetti realizzati in materiale di acciaio inossidabile della serie 300 sono resistenti alla corrosione e non sono magnetici grazie al loro basso contenuto di carbonio. Tuttavia, il compromesso è che questo materiale non può essere indurito, quindi i cuscinetti possono funzionare solo a bassi carichi e velocità. La reazione chimica della superficie del cuscinetto con l'ossigeno è chiamata processo di passivazione; il film di passivazione formatosi sulla superficie protegge il cuscinetto dalla corrosione. La resistenza alla corrosione è migliore quando il cuscinetto non è completamente immerso nel liquido, come nelle applicazioni subacquee. I cuscinetti realizzati con questo materiale sono solitamente articoli su ordinazione speciale che richiedono una quantità minima; inoltre, sono costosi.
Tipicamente i cuscinetti in acciaio inossidabile della serie 300 hanno un alloggiamento di grado 304 e un fermo del cuscinetto di grado 302. Il grado 304 è molto resistente alla frattura (elevata duttilità) e ha una resistenza alla corrosione molto elevata. Il 302 ha un contenuto di carbonio leggermente superiore, che ne aumenta la durezza, che lo rende adatto per i componenti del cuscinetto stesso. Un cuscinetto completo realizzato in acciaio inossidabile della serie 300 ha circa la metà della capacità di carico di un cuscinetto realizzato in acciaio per cuscinetti 52100.
AUB produce cuscinetti utilizzando acciaio inossidabile 316, che offre una resistenza alla corrosione superiore rispetto all'acciaio convenzionale e ai cuscinetti in acciaio inossidabile 440. L'acciaio inossidabile 316 è resistente alle condizioni atmosferiche e corrosive generali rispetto a qualsiasi altro acciaio inossidabile standard. L'acciaio inossidabile 316 è ampiamente utilizzato nell'industria alimentare e medica. I cuscinetti realizzati con questo acciaio possono funzionare in liquidi o asciugarsi a basse velocità. L'acciaio inossidabile 316 è un acciaio inossidabile contenente molibdeno. Il molibdeno conferisce al 316 una migliore resistenza alla corrosione complessiva rispetto al grado 304, in particolare una maggiore resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti contenenti cloruro.
Caratteristiche salienti:
Il contenuto di molibdeno aumenta la resistenza agli ambienti marini.
Elevata resistenza allo scorrimento viscoso e buona resistenza al calore alle alte temperature.
Biocompatibile.
Le caratteristiche di produzione sono simili ai Tipi 302 e 304.
Applicazioni: apparecchiature per la lavorazione di alimenti e prodotti farmaceutici, ambienti marini, apparecchiature medico-chirurgiche e apparecchiature industriali che gestiscono sostanze chimiche aggressive utilizzate nella produzione di inchiostri, rayon, prodotti chimici per la fotografia, carta, tessuti, candeggina e gomma.
Resistenza alla corrosione: La resistenza alla corrosione è superiore a quella degli acciai inossidabili 440c, 302 e 304. Resistente a soluzioni di sali di sodio e calcio, soluzioni di ipoclorito, acido fosforico, soluzioni di solfito e acido solforoso, comunemente utilizzati nell'industria della cellulosa.
Composizione del materiale in acciaio inossidabile 316
Altri cuscinetti in acciaio inossidabile serie 300
Gli scudi dei cuscinetti, le rondelle di tenuta e le gabbie a sfere sono talvolta realizzati in acciaio inossidabile AISI303 o AISI304 poiché hanno una moderata resistenza alla corrosione e sono adatti alla formatura in varie forme.
Cuscinetti in acciaio legato al carbonio
I materiali in acciaio al carbonio vengono utilizzati per produrre vari componenti dei cuscinetti e esistono due tipi base, acciaio legato a medio carbonio e acciaio legato a basso tenore di carbonio.
Cuscinetti in acciaio legato a medio carbonio
I cuscinetti realizzati con materiali di acciaio legato a medio o basso tenore di carbonio sono spesso definiti cuscinetti di “semi-precisione” o di “grado commerciale”. I materiali tipici sono AISI8620 o AISI4320. Gli anelli interno ed esterno sono cementati mediante un processo di trattamento termico chiamato cementazione o cementazione. I cuscinetti realizzati con questi materiali non possono sopportare carichi elevati o velocità elevate e non sono resistenti alla corrosione. I cuscinetti realizzati con questi materiali sono generalmente a basso costo.
Cuscinetti in acciaio legato a basso tenore di carbonio
L'acciaio dolce viene utilizzato per produrre gabbie di cuscinetti, scudi metallici e rondelle metalliche attorno alle quali viene modellata la gomma da utilizzare come guarnizioni. I materiali comunemente usati sono AISI C1008 e C1010. Per proteggere il materiale dalla corrosione è necessario un rivestimento di olio/grasso (gabbia) o placcatura (schermatura). Per informazioni su fermi e chiusure consultare i rispettivi bollettini tecnici.
Trattamento termico dell'acciaio per cuscinetti
Quando l'acciaio per cuscinetti si trova allo stato morbido (non temprato), i metallurgi si riferiscono alla sua struttura come allo stato perlitico. Per temprare l'acciaio, è necessario riscaldarlo a temperature molto elevate e poi raffreddarlo molto rapidamente. Riscaldandolo a 1,750 °F (circa 900 °C) in un forno di trattamento termico , la struttura passa dalla perlite a quella che è nota come austenite. Dopo la tempra (raffreddamento rapido), la struttura si trasforma da austenite a martensite. Una volta trasformato in martensite, l'acciaio diventa molto duro. Tuttavia, in questa fase non è considerato "termicamente stabile". Questo perché non tutta l'austenite si trasforma in martensite durante il processo di tempra. Questo fenomeno è chiamato "austenite residua".
Se l'acciaio non è termicamente stabile, l'austenite trattenuta si trasformerà in martensite in un lungo periodo di tempo (forse anni). Questa trasformazione è accompagnata da un aumento di volume e viene chiamata crescita metallurgica (da non confondere con crescita termica). La crescita metallurgica può causare cambiamenti nelle dimensioni e nella forma di qualsiasi componente in acciaio, come un cuscinetto, anche a temperatura ambiente.
Sebbene non costituisca un problema nei cuscinetti di tipo commerciale a bassa precisione, questa mancanza di stabilità dimensionale può causare problemi nei cuscinetti miniaturizzati ad alta precisione (ABEC 5P, 7P, 9P). Per eliminare questa crescita metallurgica indesiderata, l'acciaio deve essere stabilizzato termicamente. Ciò si ottiene mediante ripetuti raffreddamenti e rinvenimenti a -120 F per trasformare la maggior parte dell'austenite trattenuta in martensite.
