La carbonizzazione degli anelli di tenuta per alberi rotanti può provocare perdite di olio. Le cause di questo fenomeno sono state oggetto di studio e di una serie di prove.Gli anelli di tenuta per alberi rotanti possono lasciar passare l’olio anche quando la gomma di cui sono costituiti si conserva flessibile e riesce ad adattarsi bene al profilo dell’albero. La causa di tale inconveniente potrebbe essere la carbonizzazione che si verifica in corrispondenza della zona di contatto del labbro. Il fenomeno compare di solito nei labbri prodotti con mescole aventi una forte resistenza al calore, specie quelle a base di fluoroelastomeri.

In taluni casi si è però notato che la carbonizzazione presente sul labbro non impedisce all’anello di tenuta di funzionare a dovere per lungo tempo, tanto da far sorgere dubbi sulla sua effettiva influenza sulle perdite di olio. Per studiare il fenomeno si è avviato un apposito progetto e si è definito un metodo per misurarlo in laboratorio.

Aspetti sperimentali

La prima parte del progetto prevedeva la valutazione del fenomeno della carbonizzazione utilizzando un banco prova. Allo scopo si sono scelti anelli di tenuta con diametro interno di 73,6 mm, del tipo usato per i differenziali degli autoveicoli.

Nelle prove si sono utilizzati tre tipi di olio per ingranaggi, denominati A, B e C, ciascuno con un diverso livello di stabilità termica. L’olio A è considerato termostabile con buone prestazioni L-60, quelli B e C rappresentano due oli scarsamente stabili sulla base delle loro prestazioni L-60.

Per la gomma si è utilizzata una mescola di fluoroelastomero (FKM) che è un copolimero con polimerizzazione bis-fenolica. I parametri della prova sono stati così fissati:

Temperatura olio 110 °C

Velocità albero 3500 giri/min

Diametro albero 76,2 mm

STBM0, 0,254 mm

DRO0, 0,127 mm

Condizioni di prova 24 ore non stop.

Queste severe condizioni di prova sono state scelte per creare la carbonizzazione nel più breve tempo possibile. Dopo 225 ore è stata effettuata una prima valutazione al banco (fig. 1). Gli anelli di tenuta fatti operare nell’olio termostabile A non denunciavano alcuna carbonizzazione sul labbro, a differenza di quelli operanti con gli oli non termostabili B e C. Nessuno dei tre tipi di anelli aveva dato luogo a perdite di olio, infatti la carbonizzazione di piccola entità notata sugli anelli operanti con gli oli B e C non aveva ancora innescato alcuna perdita. La prova al banco è stata fatta proseguire impiegando sei anelli di tenuta per ciascun tipo di olio.

Le prove al banco hanno evidenziato una differenza sostanziale di durata tra gli anelli provati in olio termostabile e quelli in olio non termostabile. Alcune differenze di durata sono state notate fra gli oli B e C, ma, stante la variabilità delle prove di durata, non è stato possibile accertare che esista veramente una sostanziale differenza di durata fra questi due ultimi oli.

Tutte le volte che si sono verificate perdite è stata effettuata una prova sullo stato di deterioramento dell’olio, utilizzando l’analisi spettroscopica FTIR nell’infrarosso (Fourier Transformer Infrared Spectroscopy). Per l’indice di deterioramento ODI (Oil Degradation Index), si sono assunti i valori del rapporto delle altezze dei picchi del carbonile a 1707-1713 cm-1 prima e dopo un certo periodo di funzionamento. Questa prova di deterioramento ha evidenziato una variazione di ODI nel corso delle prove di durata. Per analizzare il deterioramento degli additivi dell’olio si è considerato il tenore di fosforo. Entrambe le prove hanno confermato la maggiore stabilità termica dell’olio di tipo A.

Da un’ispezione visiva effettuata al termine della prova al banco si è potuto notare come tutti gli anelli presentassero una carbonizzazione nella zona di contatto del labbro (fig.2). Per riuscire a distinguere l’entità del fenomeno in funzione del tipo di olio usato si è dovuto ricorrere all’esame della sezione trasversale dell’anello mediante un microscopio elettronico a scansione (fig. 3). Con l’impiego di olio A per 3.091 ore, in assenza di perdite, la carbonizzazione è risultata presente solo sulla superficie dell’area di contatto dell’anello. Nella prova in olio B (con perdite dopo 1.052 ore) la si è invece riscontrata anche nella massa della gomma dell’anello. Lo stesso discorso vale per la prova in olio C, in cui si sono riscontrate perdite dopo 332 ore.

Da confronti effettuati usando un’analisi ai raggi X della sezione del corpo di gomma e della zona da cui l’olio era penetrato, si è riscontrata in quest’ultima la presenza di fosforo e zolfo, elementi che non dovrebbero essere presenti nella mescola di fluoroelastomero. Inoltre nella zona di penetrazione si è riscontrato un minor tenore di fluoro. Ciò ha confermato che gli oli B e C sono più aggressivi e reagiscono con il polimero di fluoroelastomero. Si noti che la profondità di penetrazione dell’olio è risultata di 100-200 µm ossia per solo circa il 2,5-5,0 % dello spessore del labbro dell’anello di tenuta.

Implicazioni della carbonizzazione

Il fatto che l’olio carbonizzi e aderisca alla superficie dell’anello di tenuta non ha un effetto sostanziale sulla durata dell’anello stesso, purché lo spessore di carbonizzazione non superi un certo livello. La condizione più pericolosa da questo punto di vista è la penetrazione dell’olio nella massa della gomma, che ne causa la carbonizzazione. In tal caso, il labbro di gomma diventa più rigido e non riesce a seguire le vibrazioni o le imperfezioni della superficie dell’albero, consentendo le perdite. In entrambi i casi, la stabilità termica dell’olio gioca un ruolo sostanziale nel processo di carbonizzazione e nel fenomeno delle perdite.

Per studiare l’influenza sulle proprietà della gomma degli oli testati, si è effettuata una prova di immersione. Mentre la temperatura del serbatoio d’olio era di 110 °C, sotto il labbro è risultata molto più elevata. In considerazione di ciò, si è deciso di condurre le prove di immersione a due temperature, 135 °C e 150 °C, con aerazione dell’olio, per rendere le prove stesse più in linea con le condizioni effettive di impiego.

Le proprietà fondamentali della gomma prese in considerazione erano quelle che sono direttamente responsabili della durata dell’anello di tenuta: elasticità, (misurata mediante il metodo di «recovery from bending – ASTM D 6515» ), l’allungamento finale (ASTM D 412), la micro-durezza IRHD (ASTM D 415) e la variazione di volume ASTM D 471.

Con tutti gli oli provati non si sono notate significative variazioni di volume. L’olio A aveva provocato un rigonfiamento leggermente maggiore, di circa l’1 %, rispetto agli oli B e C, ma questo dato non permette di supporre che la gomma immersa in questo olio rigonfi di più, né spiega il motivo di una maggiore penetrazione nella massa con la carbonizzazione ad essa associata. In realtà, la principale differenza non è tanto l’entità del rigonfiamento quanto la stabilità termica e l’aggressività degli oli.

A 135 °C la prova della micro-durezza non ha denunciato differenze sostanziali fra gli oli, ma a 150 °C l’olio A si è dimostrato chiaramente il meno aggressivo e l’olio B quello più aggressivo. Questa prova ha dimostrato la possibilità di una carbonizzazione sulla superficie della gomma con l’invecchiamento in olio.

La prova di elasticità ha anche confermato i risultati della prova della micro-durezza. I migliori risultati sono stati quelli della gomma invecchiata nell’olio A termostabile. La gomma dopo l’invecchiamento in olio A conserva un’elasticità maggiore che negli oli non termostabili. Secondo i risultati delle prove, l’olio C risulta meno aggressivo dell’olio B nei confronti delle mescole di fluoroelastomeri. L’indice di resistenza al calore (HRI-r), calcolato utilizzando la cinetica della prova di elasticità, ha indicato che un aumento di temperatura di 15 °C può ridurre l’indice HRI-r di circa tre volte.

A 135 °C non si sono avute apprezzabili variazioni di allungamento. A 150 °C, i risultati delle prove hanno confermato le conclusioni tratte dalle prove di micro-durezza ed elasticità. Per verificare i dati ottenuti con gli oli A, B e C con la prova su una sola mescola, si sono scelte cinque mescole FKM con diverso comportamento nei riguardi degli additivi di base. Nelle indagini precedenti si era notato che questi ultimi, specie le ammine, sono molto aggressivi nei confronti dei fluoroelastomeri. Si può supporre che le reazioni delle ammine con i fluoroelastomeri siano un fattore che influisce sulla carbonizzazione dell’olio.

Per questa prova sono stati scelti due oli commerciali di tipo aggressivo, per ingranaggi, l’olio D e l’olio termostabile E. La fig. 4 illustra le variazioni di proprietà a 150 °C nell’olio D e la fig. 5 nell’olio E, relative a cinque mescole di fluoroelastomero. Tutte le prove hanno denunciato differenze di proprietà fra le mescole, evidenziando maggiori variazioni di rigonfiamento in olio per la mescola FKM-2 e minori variazioni per la FKM-5. Tuttavia è stato difficile trarre conclusioni definitive circa la carbonizzazione, dato che nella mescola FKM-5 il volume è variato in maggiore misura; ciò influisce sulle differenze di proprietà della gomma, specialmente sulla durezza. Il rigonfiamento ha minori effetti sull’elasticità. La differenza di elasticità fra le mescole non è molto grande e questa prova non è consigliata per indagini sulla carbonizzazione.

Da tutti i risultati delle prove si evince che il miglior metodo di prova in grado di caratterizzare la carbonizzazione è quello della durezza IRHD.

Metodo di laboratorio

Il processo di invecchiamento del polimero inizia in superficie e poi progredisce nella massa del materiale. Come hanno confermato altri ricercatori, le proprietà della superficie della gomma sono diverse da quelle della massa. Le differenze di durezza fra superficie e interno del campione aumentano con l’aumentare del periodo di invecchiamento e della temperatura.

Per misurare le differenze di micro-durezza tra la superficie e l’interno del campione è stato elaborato un metodo, basato sullo stesso principio, che prevede l’impiego di un tester standard IRHD, conforme alla norma ASTM D 415. Su un campione di dimensioni 25 x 51 x 6,5 mm, è stata eseguita una prova di immersione in olio secondo la norma ASTM D 471. Dal campione si è ritagliata una striscia di 4 mm. La temperatura di invecchiamento
è stata fissata su valori più elevati che nelle precedenti prove di immersione. L’analisi ad elementi finiti (FEA) indica che la temperatura può in realtà raggiungere i 139 °C.

Nelle precedenti misurazioni dirette di temperatura sotto il labbro, effettuate al banco su anelli di tenuta simili, con un diametro albero di 95 mm, una velocità di rotazione albero di appena 2.900 giri/min e una temperatura del serbatoio olio di 150 °C, si è rilevata una temperatura sotto il labbro superiore ai 200 °C. Tenendo presente
questo fatto, per la prova si è scelta una temperatura di 166 °C.

La micro-durezza è stata misurata su due superfici, la prima, quella laterale creatasi con il taglio iniziale delle fette dal campione, e la seconda, quella di un taglio fresco successivo. Le differenze fra queste due misurazioni indicano la diversità di durezza tra la superficie e l’interno del campione e rappresentano la carbonizzazione. La differenza di IRHD si chiama «Indice di carbonizzazione».

Lo schema di misurazione dell’indice di carbonizzazione è illustrato in fig. 6, mentre nelle fig. 7 e 8 sono riportati i risultati delle prove dell’indice per l’olio D e l’olio E. Dato che la temperatura sotto il labbro è superiore a quella del serbatoio dell’olio, per questa prova si è scelta una temperatura di 166 °C. Esaminando le differenti variazioni di durezza in olio D e olio E, si è visto come la mescola FKM-5 non presenti variazioni di durezza per invecchiamento in olio dopo 504 ore. Questa mescola è la più resistente alla carbonizzazione. Le restanti mescole sono influenzate parecchio dal periodo di invecchiamento; le differenze di durezza aumentano con il tempo. Per tutte le mescole in entrambi gli oli esiste una soddisfacente correlazione, che su coordinate logaritmiche dà una linea retta, la cui pendenza rappresenta le caratteristiche della carbonizzazione. Questa può anche essere correlata con le variazioni di durezza dopo un certo periodo di invecchiamento in olio.
La tabella 1 offre un confronto degli indici di carbonizzazione per diverse mescole FKM in due oli diversi.

Si può qui concludere che l’olio E è meno aggressivo dell’olio D. Gli indici di carbonizzazione calcolati secondo le variazioni di durezza dopo 500 ore differiscono per un fattore 2. La carbonizzazione è tuttavia solo uno degli elementi che condizionano la durata dell’anello di tenuta. Per una scelta appropriata della mescola si deve tenere conto delle diverse proprietà della gomma che influiscono su tale durata e in più del tipo di olio e dell’applicazione.

Conclusioni

Si possono ipotizzare due tipi di carbonizzazione. Il primo è rappresentato dall’olio carbonizzato che aderisce alla superficie dell’anello di tenuta. Un secondo fenomeno si ha quando l’olio penetra nella massa della gomma e ne carbonizza l’interno, ed è quello più pericoloso per la durata dell’anello di tenuta stesso.

Tra i vari suggerimenti che si possono dare per prevenire la carbonizzazione c’è quello di usare solo oli termostabili e mescole resistenti all’interazione con gli oli e i relativi additivi. È inoltre importante scegliere un anello di tenuta con una forma atta a ridurre la coppia e la temperatura sotto il labbro.

Boris Dinzburg

Chicago Rawhide Co,USA