Usura da fretting nei sistemi lubrificati

L’usura da fretting è un danno superficiale che si verifica tra due superfici di contatto che subiscono un movimento ciclico (spostamento tangenziale oscillatorio) di piccola ampiezza. Nelle aree di contatto, il lubrificante viene spremuto, con conseguente contatto metallo-metallo.

Poiché il movimento a bassa ampiezza non consente di rilubrificare l’area di contatto, può verificarsi un’usura localizzata grave. Questo tipo di usura favorisce ulteriormente l’abrasione a due corpi, l’adesione e/o la fatica di fretting (una forma di affaticamento superficiale).

Quando l’usura da sfregamento si verifica in un ambiente corrosivo, sia lo sfregamento dei film di ossido che la maggiore abrasività dei detriti di usura ossidati più duri tendono ad accelerare notevolmente l’usura. Quando l’attività di corrosione è distintamente evidente, come indicato dal colore delle particelle di detriti, il processo è indicato come corrosione da sfregamento.

Fretting Usura

Fretting usura è anche conosciuto come usura vibrazionale, sfregamenti, fatica, usura ossidazione, attrito ossidazione, falso brinelling, attrito molecolare, fretting fatica e corrosione.

Poiché praticamente tutte le macchine vibrano, il fretting si verifica in giunti bullonati, appuntati, pressati, calettati e rivettati; tra componenti che non sono destinati a muoversi; in scanalature oscillanti, giunti, cuscinetti, frizioni, mandrini e guarnizioni; e in piastre di base, giunti universali e catene.

Il fretting ha provocato crepe a fatica che spesso provocano cedimenti a fatica negli alberi e in altri componenti altamente sollecitati.

L’usura da sfregamento è un tipo di usura superficie-superficie ed è fortemente influenzata dall’ampiezza dello spostamento, dal carico normale, dalle proprietà del materiale, dal numero di cicli, dall’umidità e dalla lubrificazione.

Processo di usura da sfregamento

Il movimento ciclico tra le superfici di contatto è l’ingrediente essenziale in tutti i tipi di usura da sfregamento. È un processo di combinazione che richiede che le superfici siano in contatto ed esposte a piccole oscillazioni di ampiezza.

A seconda delle proprietà del materiale delle superfici, l’adesivo, l’abrasione a due corpi e/o le particelle solide possono produrre detriti di usura. Le particelle di usura si staccano e diventano sminuzzate (frantumate) e il meccanismo di usura cambia in abrasione a tre corpi quando i detriti induriti dal lavoro iniziano a rimuovere il metallo dalle superfici.

L’usura da sfregamento si verifica a seguito della seguente sequenza di eventi:

1. Il carico normale applicato fa aderire le asperità e il movimento oscillatorio tangenziale taglia le asperità e genera detriti di usura che si accumulano.

2. Le asperità sopravvissute (più dure) alla fine agiscono sulle superfici lisce e morbide causando loro di subire deformazioni plastiche, creare vuoti, propagare crepe e tagliare fogli di particelle che si accumulano anche in porzioni depresse delle superfici.

3. Una volta che le particelle si sono accumulate a sufficienza per coprire lo spazio tra le superfici, si verifica l’usura da abrasione e la zona di usura si diffonde lateralmente.

4. Man mano che l’adesione, la delaminazione e l’usura da abrasione continuano, i detriti di usura non possono più essere contenuti nella zona iniziale e sfuggono nelle valli circostanti.

5. Poiché la massima sollecitazione è al centro, la geometria diventa curva, i micropiti si formano e questi si fondono in pozzi più grandi e più profondi. Infine, a seconda dello spostamento del movimento tangenziale, possono essere generate tracce di vermi o anche grandi fessure in una o entrambe le superfici.

Man mano che le superfici si induriscono, il tasso di usura da abrasione diminuisce. Infine, si verifica un tasso di usura costante, che mostra che tutte le modalità di usura rilevanti funzionano in combinazione.

Caratteristiche di usura da fretting

Il fattore chiave nell’usura da fretting è un’interfaccia caricata meccanicamente sottoposta a un piccolo movimento oscillatorio. Il movimento relativo richiesto per produrre danni può essere piuttosto piccolo, a partire da un micrometro, ma più spesso è di circa pochi millesimi di pollice. Il coefficiente di usura dipende dall’ampiezza dell’oscillazione.

Molto poco usura si verifica ad ampiezze inferiori a 100 micrometri, come mostrato in Figura 1.

Figura 1. Fretting Wear vs. Slip Amplitude1

A slips inferiori a 100 micrometri, la nucleazione e la propagazione di crepe che portano a detriti di usura sono troppo minuti per essere rilevati. I detriti di usura che rotolano a quel grado di oscillazione presumibilmente causano questo basso tasso di usura.

Ad alte ampiezze, l’abrasione diretta dell’interfaccia da parte di particelle dure (ossido o particelle indurite dal lavoro) crea il tasso di usura lordo. A grandi ampiezze di oscillazione, il coefficiente di usura da sfregamento è approssimativamente uguale a quello dell’usura unidirezionale.

Figura 2. Usura da fretting rispetto al tempo di Correnza2

Le variazioni del carico normale influiscono generalmente sull’usura da fretting. Sebbene gli utenti delle apparecchiature spesso presumano che carichi normali elevati smorzino le vibrazioni in modo sufficiente da ridurre l’attrito, l’aumento dell’area di contatto produce una maggiore interazione superficiale che tende a superare questo effetto. Di conseguenza, l’aumento del carico o delle pressioni unitarie tende a generare tassi di usura più elevati come mostra la Figura 3.

Figura 3. Usura da sfregamento contro carico Normale3

Tre meccanismi separati causano usura da sfregamento: adesione, affaticamento da trazione e delaminazione (abrasione a due corpi). Trasferimento metallico può o non può avvenire. La deformazione plastica cambia geometricamente le superfici e vengono create regioni di carico elevate con aree misurate in millimetri quadrati.

Il materiale corrispondente a queste aree di carico è altamente indurito dal lavoro e porta a formare una nuova fase strutturale. Queste aree indurite dal lavoro sono fragili, soggette a frattura e frammentazione e generano detriti e particelle di usura metallica con dimensioni iniziali di circa un micrometro.

Figura 4. Effetto della frequenza sui danni da fretting dell’acciaio dolce

Fretting Corrosion

Un altro aspetto del processo di fretting è l’influenza dell’umidità sul tasso di usura da fretting. L’usura da sfregamento diminuisce sostanzialmente per la maggior parte delle coppie di attrito (metalli) poiché l’umidità relativa aumenta da zero a 50 per cento.

L’usura in condizioni di umidità è sempre meno grave perché l’umidità contenuta nell’aria fornisce un tipo di film lubrificante tra le superfici. In alcuni casi, l’umidità consente agli idrati di ferro dolce di formarsi al posto del più duro, più abrasivo Fe3O4, magnetite, un ossido magnetico di ferro.

Sebbene il fretting possa verificarsi in un ambiente inerte, questo tipo di ambiente non è normale. Anche in condizioni di lubrificazione completa, gli oli a base minerale esposti all’atmosfera contengono almeno il 10% di aria, quindi l’ossigeno è presente in tutte le coppie di attrito o nelle interfacce di usura. Le superfici d’uso e i detriti di usura mostrano comunemente una grande quantità di ossido, portando al nome “corrosione da sfregamento.”

In passato, l’usura da fretting era solitamente chiamata corrosione da fretting perché l’ossidazione era presumibilmente il fattore critico che causava il fretting. In effetti, l’esistenza di prodotti di ossidazione è stata un mezzo pronto per identificare un processo di fretting.

Oggi gli ingegneri si rendono conto che l’attrito si verifica in materiali che non si ossidano, come l’ossido cubico, l’oro e il platino. Sebbene l’ossidazione non causi l’attrito nei materiali più comuni, la rimozione dei detriti di usura lascia il metallo vergine esposto all’atmosfera e di solito si verifica l’ossidazione.

Una forte evidenza visiva supporta l’idea che i film di ossido si formino e vengano successivamente raschiati via. Le superfici metalliche nella regione fretted diventano leggermente scolorite. Il colore dei detriti di usura varia con il tipo di materiale genitore; il prodotto di corrosione dell’alluminio è bianco ma fretting fa sì che diventi nero, il prodotto di corrosione dell’acciaio è grigio ma fretting fa sì che diventi un marrone rossastro.

Il secondo aspetto che supporta questa idea è l’aumento del tasso di usura. Quando l’attrito si verifica in un ambiente inerte, il tasso di usura è notevolmente inferiore rispetto a quando le condizioni causano la formazione di un film di ossido e la raschiatura.

Poiché l’effetto della frequenza sull’usura dipende dall’ampiezza, è necessario definire due tipi di usura da sfregamento in base all’ampiezza dell’oscillazione. Il primo tipo di fretting è fretting corrosione o usura, come discusso in precedenza. Il secondo tipo di fretting che si verifica, in cui viene rimosso meno materiale, è chiamato fretting fatigue o traction fatigue.

Fretting Fatigue

In fretting fatigue, crepe superficiali iniziano e si propagano, rimuovendo così materiale. L’ampiezza è piccola. Se l’ampiezza dello slittamento aumenta, il fenomeno della fatica di fretting può scomparire mentre il fronte di usura inizia ad avanzare abbastanza rapidamente da rimuovere le crepe avviate prima che si propaghino.

La durezza superficiale gioca un ruolo chiave nel limitare la fatica di fretting. Se entrambe le superfici sono dure, le asperità si saldano, seguite dal taglio delle giunzioni, dal trasferimento del materiale e dalla generazione di particelle di usura.

Se una superficie dura è a contatto con una superficie morbida, è probabile che si verifichi un’usura da fatica. La più dura delle due superfici crea una trazione sufficiente a causare la deformazione plastica della superficie più morbida e il rilascio di particelle attraverso la nucleazione del vuoto del sottosuolo, la propagazione della crepa e la successiva perdita di materiale superficiale.

Quando una superficie è molto più dura e ruvida ed è guidata da una minore forza di trazione, le asperità rientreranno nella superficie opposta per causare gravi abrasioni e detriti di usura simili a fili.

Le influenze del lubrificante sul Fretting

Fretting sembra progredire più rapidamente nelle coppie di attrito che hanno finiture superficiali lisce e si chiudono. I lubrificanti non penetrano nelle aree di usura con piccoli spazi (descritti come attacchi ravvicinati). Inoltre, la finitura liscia elimina le tasche di ritenzione del lubrificante tra le asperità nelle superfici più ruvide.

In queste condizioni è possibile ottenere solo condizioni di lubrificazione al limite, l’interazione continua delle superfici bagnate dall’olio. I lubrificanti non hanno sempre successo perché l’azione alternativa spreme il film lubrificante e non gli consente di essere reintegrato.

In generale, lo scopo del lubrificante nella maggior parte delle situazioni di attrito è quello di impedire all’ossigeno di raggiungere la superficie di attrito e i detriti di usura. I lubrificanti liquidi con efficaci additivi per la disattivazione dei metalli possono contribuire a ridurre l’effetto di fretting, ma probabilmente non smetteranno di fretting del tutto.

1. Halliday, J. Conferenza sulla lubrificazione e l’usura, Proc. I. Mech. E, Londra, 1957. pag. 640.

2. Feng, I. e Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Considerazioni di usura nel design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Nota del redattore
Questo articolo è originariamente apparso come un capitolo nel libro di E. C. Fitch, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.