I cuscinetti ceramici possono rivelarsi la soluzione vincente per applicazioni in presenza di campi magnetici. In questo articolo tratteremo l’applicazione del cuscinetto ceramico in caso di campi magnetici.
Gli acciai utilizzati per la quasi totalità della produzione dei cuscinetti a rotolamento appartengono a due famiglie: gli acciai speciali da trattamento termico (come 100Cr6) e gli acciai speciali da cementazione (come 20NiCrMo7).
Un cuscinetto realizzato in questi acciai sottoposto a campi magnetici può essere soggetto a diverse forme di danneggiamento:
- Adesione magnetica di particelle o di sporco residuo su piste e corpi volventi che intaccano le superfici di contatto con conseguente aumento delle vibrazioni e dell’usura
- Innesco di scariche elettriche tra piste e corpi volventi dovuti alle correnti residue causate da campi magnetici rotanti che incrementano l’usura del cuscinetto
- Aumento della temperatura e dell’attrito a causa delle perdite d’isteresi date dall’inversione della polarità magnetica, delle correnti parassite dovute a campi rotanti e delle forze di attrazione magnetica
- Infragilimento da idrogeno che può causare una sfaldatura fragile (white etching cracks o white structure flaking) con aumento dell’usura del cuscinetto.
- Possibile deterioramento delle caratteristiche tribologiche dei lubrificanti adottati.
È da considerare, inoltre, che molto spesso ai campi magnetici sono associati anche campi elettrici che provocando correnti parassite accentuano ed amplificano gli effetti negativi sui cuscinetti.
Per tali motivi, la scelta di un cuscinetto che deve essere inserito in un ambiente con campi magnetici e/o con campi elettrici può essere difficile e, nel caso in cui non sia fatta correttamente, può portare alla prematura ed inaspettata sostituzione del cuscinetto stesso con incremento dei costi per manutenzione straordinaria.
Può sembrare che non ci siano soluzioni efficaci a questa tipologia di problema, ma, nella realtà, l’avanzamento tecnologico sia dei materiali che delle operazioni di lavorazione ci forniscono un ventaglio di scelte all’interno delle quali trovare la soluzione ottimale.
Il concetto fondamentale che va sempre tenuto in considerazione nella scelta dei materiali con cui realizzare il cuscinetto è il principio fisico delle linee di forza dei campi magnetici e dei campi elettrici: se riusciamo ad interrompere queste linee di forza, il campo magnetico ed il campo elettrico non possono esercitare il loro effetto negativo sul cuscinetto.
Per interrompere le linee di forza di un campo magnetico è necessario adottare una classe di materiali detti amagnetici. Nel caso di presenza di campi elettrici, invece, è necessario adottare materiali che siano isolanti elettrici.
Allo stato attuale dello sviluppo tecnologico, i materiali amagnetici o isolanti elettrici che possono essere utilizzati per la produzione dei cuscinetti sono i seguenti:
- Acciai inossidabili austenitici (AISI304 e AISI316): sono amagnetici ma non isolanti elettrici
- Materiali plastici come, ad esempio, PA o PA66, PEEK, PTFE: sono amagnetici ed isolanti elettrici
- Materiali ceramici come ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3: sono amagnetici ed isolanti elettrici
Ognuno di questi materiali presenta vantaggi e svantaggi e la scelta va fatta accuratamente in funzione delle condizioni di utilizzo del cuscinetto.
Gli acciai inossidabili austenitici come AISI 304 e AISI 316 sono amagnetici e quindi possono essere usati efficacemente in presenza di campi magnetici. Essendo, però, non isolanti elettrici, se l’applicazione prevede anche la presenza di campi elettrici come, per esempio, nei generatori elettrici, i cuscinetti realizzati con questi materiali subiranno gli effetti negativi delle correnti parassite. Inoltre, questi acciai non sono temprabili e quindi la durezza che presentano è decisamente inferiore a quelli degli acciai per cuscinetti normalmente utilizzati. Ciò comporta che la capacità di carico di questi cuscinetti è molto bassa. La non temprabilità ha, poi, un effetto negativo anche sulla qualità delle lavorazioni meccaniche, per cui la rugosità delle piste è più elevata di quella del cuscinetto standard con un ulteriore effetto negativo sulla durata. In definitiva, questo tipo di acciai possono essere usati solo nel caso in cui le sollecitazioni sul cuscinetto siano molto basse. Possono essere usati in ambienti chimicamente aggressivi, a basse o alte temperature e anche in presenza di radiazioni.
I materiali plastici che possono essere usati per la produzione dei cuscinetti (PA, PA66, PEEK, PTFE) presentano caratteristiche amagnetiche oltre ad essere elettricamente isolanti e quindi possono essere usati per applicazioni anche con la contemporanea presenza di campi magnetici e campi elettrici. Sono materiali che possono essere relativamente poco costosi (con l’eccezione del PEEK) e facilmente lavorabili. Gli aspetti da considerare nella loro applicazione riguardano la capacità di carico, che può essere molto bassa, e l’estrema difficoltà ad avere precisioni e giochi comparabili con i cuscinetti in acciaio.
I materiali ceramici sono la classe di materiali più performanti per questo tipo di applicazioni e possono essere impiegati in due tipologie di cuscinetti:
- Cuscinetti ibridi, ossia con anelli in acciaio standard e corpi volventi in materiale ceramico
- Cuscinetti totalmente ceramici, ossia con anelli e corpi volventi in materiale ceramico
Nei cuscinetti ibridi la presenza dei corpi volventi in materiale ceramico permette di interrompere le linee di forza del campo magnetico che attraversano il cuscinetto ma potrebbero esserci altri campi magnetici che passando attraverso i singoli anelli causano effetti negativi. L’applicazione va studiata attentamente anche perché non è sempre facile capire il percorso dei campi magnetici che si possono formare all’interno di alcune macchine od attrezzature. Per quanto concerne la capacità di carico, questi cuscinetti hanno una capacità inferiore rispetto agli omologhi in acciaio ma con una velocità massima più elevata.
I cuscinetti totalmente ceramici, invece, permettono di ovviare a tutti gli effetti negativi dei campi magnetici o campi elettrici, mantenendo una capacità di carico almeno pari a quella degli omologhi cuscinetti in acciaio ed una velocità massima superiore anche a quella dei cuscinetti ibridi. Inoltre, possono essere usati in ambienti chimicamente aggressivi, in presenza di radiazioni, con temperature di utilizzo che possono arrivare a 1200°C ed in condizioni di scarsa o assente lubrificazione.
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