Nota applicativa | Usura da fretting
Valutazione dell'usura da fretting
Come la velocità di oscillazione e la temperatura accelerano l'usura da fretting dell'acciaio inox
Ricerca e prove sperimentali
Duanjie Li
Progetto grafico e redazione
Andrew Shore
Introduzione
Il fretting è un particolare processo di usura che si verifica nell'area di contatto tra due materiali sotto carico soggetti a un minimo moto relativo dovuto a vibrazioni o ad altre forze1. Durante il funzionamento delle macchine si generano inevitabilmente vibrazioni nelle giunzioni bullonate o spinate, tra componenti che non dovrebbero muoversi e nei giunti oscillanti e nei cuscinetti. L'ampiezza di questi scorrimenti relativi è spesso dell'ordine dei micrometri o dei millimetri. Questo moto ripetitivo di piccola ampiezza provoca una grave usura meccanica localizzata e trasferimento di materiale in superficie, con possibile riduzione dell'efficienza produttiva, delle prestazioni della macchina o persino danni alla macchina2.
L'importanza di una valutazione quantitativa dell'usura da fretting
L'usura da fretting coinvolge spesso più meccanismi complessi nella superficie di contatto, tra cui abrasione a due corpi, adesione e/o usura per fatica da fretting. Per comprendere il meccanismo e scegliere il materiale migliore per la protezione dal fretting serve una valutazione affidabile e quantitativa. Il comportamento a fretting è fortemente influenzato dall'ambiente di esercizio, come ampiezza dello spostamento, carico normale, corrosione, temperatura, umidità e lubrificazione. Un tribometro versatile, in grado di simulare diverse condizioni reali, è ideale per valutare l'usura da fretting.
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Obiettivo della misura
In questo studio abbiamo valutato il comportamento a usura da fretting di un campione di acciaio inox SS304 a diverse velocità di oscillazione e temperature, per mostrare la capacità del tribometro NANOVEA T50 di simulare il processo di usura da fretting dei metalli in modo ben controllato e monitorato.
NANOVEA T50 Compact
Tribometro a pesi liberi
Condizioni di prova
La resistenza all'usura da fretting di un campione di acciaio inox SS304 è stata valutata con il tribometro NANOVEA dotato di modulo di usura in moto alternato lineare. Come antagonista è stata usata una sfera in WC (6 mm di diametro). La traccia di usura è stata esaminata con un profilometro 3D senza contatto NANOVEA.
La prova di fretting è stata eseguita a temperatura ambiente (TA) e a 200 °C per studiare l'effetto dell'alta temperatura sulla resistenza a fretting dell'SS304; durante la prova a 200 °C una piastra riscaldante sul portacampioni ha riscaldato il campione. Il tasso di usura K è stato calcolato con la formula K = V/(F × s), dove V è il volume usurato, F il carico normale e s la distanza di strisciamento.
In questo studio la sfera in WC è stata usata come esempio di antagonista. Qualsiasi materiale solido, con forme e finiture superficiali diverse, può essere montato con un'attrezzatura su misura per simulare la reale situazione applicativa.
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Descrizione del campione | SS304 lucidato |
| Forza normale | 10 N |
| Ampiezza | 2 mm |
| Velocità | 100 o 1000 cicli/min |
| Temperatura | Temperatura ambiente (TA) o 200 °C |
| Durata della prova | 20.000 giri |
| Antagonista | Sfera in WC, 6 mm di diametro |
Tabella 1: parametri di prova delle misure di usura.
Risultati e discussione
Il profilo 3D della traccia di usura consente di determinare in modo diretto e accurato la perdita di volume, calcolata dal software di analisi NANOVEA Mountains.
La prova di usura alternata a bassa velocità, 100 giri/min, e a temperatura ambiente mostra una piccola traccia di 0,014 mm³. In confronto, la prova di fretting ad alta velocità, 1000 giri/min, crea una traccia molto più grande, con un volume di 0,122 mm³. Questa accelerazione dell'usura può essere attribuita al forte calore e alle intense vibrazioni generate durante la prova di fretting, che favoriscono l'ossidazione dei detriti metallici e causano una grave abrasione a tre corpi. La prova di fretting a 200 °C forma una traccia ancora più grande, di 0,269 mm³.
La prova di fretting a 1000 giri/min ha un tasso di usura di 1,5 × 10−4 mm³/N m, quasi nove volte quello della prova alternata a 100 giri/min. La prova di fretting ad alta temperatura accelera ulteriormente il tasso di usura fino a 3,4 × 10−4 mm³/N m. Una differenza così marcata nella resistenza all'usura a velocità e temperature diverse dimostra quanto sia importante simulare correttamente il fretting per applicazioni realistiche.
Il comportamento a usura può cambiare drasticamente con piccole variazioni delle condizioni di prova nel tribosistema. La versatilità del tribometro NANOVEA permette di misurare l'usura in varie condizioni, tra cui alta temperatura, lubrificazione e corrosione. Il controllo accurato di velocità e posizione del motore avanzato consente prove di usura da 0,001 a 5000 giri/min, rendendolo uno strumento ideale per i laboratori di ricerca e prova che studiano il fretting in diverse condizioni tribologiche.
| Condizione di prova | Profondità di usura (µm) | Volume di usura (mm³) | Tasso di usura (mm³/N m) |
|---|---|---|---|
| 100 giri/min, TA | 24 | 0.014 | 1.7 × 10⁻⁵ |
| 1000 giri/min, TA | 79 | 0.122 | 1.5 × 10⁻⁴ |
| 1000 giri/min, 200 °C | 130 | 0.269 | 3.4 × 10⁻⁴ |
Tabella 2: sintesi delle tracce di usura misurate con diversi parametri di prova.
Conclusioni
In questo studio abbiamo mostrato la capacità del tribometro NANOVEA di valutare il comportamento a usura da fretting di un campione di acciaio inox SS304 in modo ben controllato e quantitativo. Velocità e temperatura di prova hanno un ruolo decisivo nella resistenza a fretting del materiale. Il forte calore e le intense vibrazioni durante il fretting hanno accelerato l'usura dell'SS304 di quasi nove volte, e la temperatura di 200 °C ha portato il tasso di usura a 3,4 × 10−4 mm³/N m.
La versatilità del tribometro NANOVEA lo rende uno strumento ideale per misurare l'usura da fretting in varie condizioni, tra cui alta temperatura, lubrificazione e corrosione. I tribometri NANOVEA offrono prove di usura e attrito precise e ripetibili in modalità rotativa e lineare conformi alle norme ISO e ASTM, con moduli opzionali per usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione in un unico sistema preintegrato.
Bibliografia
1. Lampman, S. R., ASM Handbook, Volume 19: Fatigue and Fracture.
2. Fretting wear, Machinery Lubrication, machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear.
Domande frequenti sulle prove di usura da fretting
Che cos'è l'usura da fretting?
Un processo di usura nel contatto tra due materiali caricati soggetti a un minimo moto relativo dovuto a vibrazioni o altre forze, con ampiezze in genere da micrometri a millimetri, in giunzioni bullonate o spinate, giunti oscillanti e cuscinetti.
Perché l'usura da fretting è difficile da prevedere?
Combina più meccanismi, abrasione a due corpi, adesione e fatica da fretting, e dipende fortemente da ampiezza dello spostamento, carico normale, corrosione, temperatura, umidità e lubrificazione.
Come è stato simulato il fretting?
Usura in moto alternato lineare di SS304 lucidato contro una sfera in WC da 6 mm sotto 10 N con ampiezza di 2 mm per 20.000 cicli, a 100 o 1000 cicli/min e a temperatura ambiente o a 200 °C su una piastra riscaldante.
Quanto ha influito la velocità sull'usura?
Il volume di usura è passato da 0,014 mm³ a 100 cicli/min a 0,122 mm³ a 1000 cicli/min, e il tasso di usura da 1,7 × 10⁻⁵ a 1,5 × 10⁻⁴ mm³/N m, quasi nove volte, attribuito al calore e alle vibrazioni che favoriscono detriti ossidati e abrasione a tre corpi.
Che cosa ha aggiunto la temperatura?
A 200 °C e 1000 cicli/min la traccia ha raggiunto 130 µm di profondità e 0,269 mm³, con un tasso di usura di 3,4 × 10⁻⁴ mm³/N m.
Si possono riprodurre le condizioni reali dei componenti?
Sì. Qualsiasi materiale antagonista e forma si può montare con un'attrezzatura su misura, e le prove si possono eseguire da 0,001 a 5000 giri/min con alta temperatura, lubrificazione o corrosione.
