In un recente studio condotto da SKF [1] sono state confrontate tre tipologie di trattamenti superficiali di SKF – fosfato di zinco e calcio (ZnCaPh), fosfato di manganese (MnPh) e black oxide (Tribological Black Oxide, TBO) – in termini di prestazioni di attrito ottenute su un tribometro a singolo contatto di rotolamento/strisciamento con lubrificazione a olio e su un banco di prova di attrito con due cuscinetti a rulli cilindrici lubrificati a grasso, funzionanti in condizioni operative rilevanti per le applicazioni ferroviarie. In questa sede esamineremo alcuni dei risultati ottenuti.

Cuscinetti volventi con rivestimento

Vi sono svariate tipologie di rivestimenti che si possono applicare sui cuscinetti volventi [2], ma soltanto alcuni si possono utilizzare sulle piste dei cuscinetti [3]. Un gruppo di rivestimenti è noto con il nome generico di “rivestimenti di conversione” e si ottiene convertendo le superfici metalliche ferrose dei cuscinetti in un rivestimento mediante opportune reazioni chimiche elettrolitiche o non elettrolitiche.

Rivestimenti di conversione per fosfatazione: il rivestimento si ottiene mediante una reazione chimica in cui il ferro sulla superficie reagisce con i cationi di manganese, zinco o zinco e calcio e con gli anioni di fosfato presenti nel fluido. Per le applicazioni con cuscinetti la fosfatazione al manganese o la fosfatazione a base di zinco hanno uno spessore da 2 a 15 μm [2]. È opportuno ricordare che la fosfatazione implica processi acidi che, se non eseguiti correttamente, possono causare pitting (con conseguente aumento del rischio di fatica innescata in superficie), cosa che non avviene con il processo alcalino di ossidazione dei cuscinetti (TBO) [4].

Rivestimenti di conversione per ossidazione: il rivestimento si ottiene mediante una reazione chimica tra il ferro della superficie in acciaio e i reagenti, che produce uno strato di ossidazione nera di circa 1 μm di spessore composto da una miscela di FeO, Fe₂O₃ e Fe₃O₄. La norma DIN 50938 [5] e l’equivalente ISO 11408 [6] definiscono una base di riferimento per il metodo. Tuttavia, occorre sottolineare che entrambi gli standard si concentrano sull’anticorrosione e non sono ottimizzati per ottenere strati di ossidazione nera con proprietà tribologiche per applicazioni con cuscinetti volventi. La TBO è realizzata secondo questi standard, ma con processi ottimizzati che migliorano le proprietà tribologiche del rivestimento.

Morfologia dei rivestimenti e proprietà meccaniche

La figura 1 mostra la morfologia in pianta vista attraverso microscopio a scansione elettronica dei tre strati di conversione analizzati. La TBO (figura 1a) presenta vuoti e cricche. La formazione di vuoti è stata attribuita alla natura della conversione dell’ossido, mentre le cricche sono state collegate al rilascio delle tensioni superficiali, perché lo strato di ossido ha un coefficiente di espansione termica diverso rispetto al substrato di acciaio. Il rivestimento di MnPh (figura 1b) presenta una microstruttura policristallina con cristalli di forma prismatica di 5-10 µm. Il rivestimento di ZnCaPh ha una microstruttura compatta con una distribuzione uniforme dei grani (figura 1c), grazie all’incorporazione di Ca durante il processo di fosfatazione. Nella tabella 1 sono riportate le proprietà meccaniche dei rivestimenti.

Prove di strisciamento alternato

Per misurare il coefficiente di attrito in condizioni di puro strisciamento è stato utilizzato un banco di prova interno (figura 2). Dopo un breve periodo di rodaggio, tutti i rivestimenti mostrano un valore di attrito costante. I risultati indicano che, in queste condizioni di usura da contatto, il coefficiente di attrito è inferiore per i rivestimenti di conversione, probabilmente a causa dell’attenuazione del picco di rugosità iniziale. Il coefficiente di attrito inferiore si ottiene con il rivestimento di TBO.

Prove di rotolamento/strisciamento

Le prestazioni di attrito in condizioni di rotolamento/strisciamento sono state valutate utilizzando un banco di prova Wedeven Associates Machine (WAM) in condizioni rilevanti per i cuscinetti volventi cilindrici e conici. Il banco WAM è stato utilizzato in due diverse configurazioni, una che simula il contatto della pista di rotolamento del cuscinetto e l’altra che simula il contatto tra il rullo e l’orletto. In tutte le prove è stato utilizzato un olio minerale lubrificante con viscosità di 32 cSt a 40 °C senza additivi EP/AW, con una temperatura di 60 °C e parametro di lubrificazione λ = 0,3.

Nelle condizioni di contatto della pista di rotolamento (figura 3) e dell’orletto (figura 4) si può osservare che, mentre MnPh e ZnCaPh presentano un calo significativo dell’attrito dall’inizio alla fine della fase di prova rispetto alla variante in acciaio (dovuto al rodaggio degli strati di conversione), la TBO presenta un attrito inferiore fin dall’inizio. I vantaggi in termini di attrito possono essere confrontati con la rugosità all’interno della pista di rotolamento dopo le prove (tabella 2); il valore è significativamente inferiore per il disco con TBO sia nella simulazione del contatto con pista sia in quella con orletto.

Prove di attrito dei cuscinetti

Per confrontare i diversi trattamenti superficiali, in condizioni il più possibile simili a quelle tipiche di funzionamento dei cuscinetti per boccole ruota dei treni intercity, è stato utilizzato un banco di prova (figura 5) progettato in modo specifico per misurare la coppia di attrito dei cuscinetti in varie condizioni di velocità e carico. Poiché i cuscinetti per boccole ruota in genere sono a due corone, le prove sono stati eseguite con un set composto da due cuscinetti a rulli cilindrici (NU2207 ECP/C3 e NJ 2207 ECP/C3). I cuscinetti cilindrici sono stati scelti al posto dei cuscinetti conici per facilitare l’operazione di smontaggio e rimontaggio dei gruppi di rulli ed eseguire il rivestimento degli anelli interni ed esterni. I gruppi di rulli sono stati mantenuti con gli anelli originali per mantenere il gioco interno radiale C3. Prima di eseguire le prove, ogni cuscinetto è stato riempito con 2,5 g di un grasso ferroviario tipico, garantendo la stessa distribuzione iniziale del lubrificante.

Il carico radiale è stato impostato per raggiungere pressioni di contatto di 1,3 GPa sull’anello interno e di 1 GPa sull’anello esterno. Il carico assiale dei cicli di velocità è stato impostato per raggiungere 200 MPa sul contatto dell’orletto. Il ciclo di velocità è stato studiato per rappresentare le velocità lineari tipiche ottenute nei cuscinetti per boccole ruota dei treni intercity e per ridurre al minimo l’effetto della migrazione del grasso sulla coppia misurata. Il ciclo di carico assiale è stato studiato per sollecitare il contributo dell’orletto, pur rimanendo al di sotto del rapporto massimo di carico assiale/radiale raccomandato.

Dopo un rodaggio di 10 ore, ogni fase di velocità o di carico assiale di un’ora è stata suddivisa in 30 minuti di rotazione in senso orario e 30 minuti di rotazione in senso antiorario a una determinata velocità, mentre la coppia è stata calcolata come media degli ultimi 20 minuti di ciascuna rotazione. In questo modo è stato possibile correggere l’eventuale offset del misuratore di forza, ottenendo una deviazione standard minima. Ogni ciclo è stato ripetuto almeno sei volte dopo il rodaggio e ogni prova è stata eseguita come minimo su due set di cuscinetti. In queste prove gli anelli interni ed esterni sono stati mantenuti senza rivestimento o con rivestimento di TBO, MnPh o ZnCaPh. I rulli erano privi di rivestimento.

La coppia media misurata a diverse velocità di rotazione sul set di cuscinetti a rulli cilindrici è mostrata in figura 6 per le prove con anelli in acciaio non rivestiti e con anelli con rivestimento di TBO, MnPh e ZnCaPh. La coppia media è normalizzata rispetto a quella misurata nel caso degli anelli non rivestiti a 3.100 giri/min e 250 N di carico assiale. Dopo le prove dei cicli di velocità, la rugosità della pista e dell’orletto degli anelli interni NJ2207 è stata misurata mediante interferometria (tabella 3). La rugosità misurata è stata confrontata con quella media della pista dell’anello interno nuovo.

La figura 6 mostra che gli anelli con TBO generano costantemente la coppia inferiore, un riscontro che è correlato con le osservazioni formulate negli esperimenti con sfere su dischi. Le misurazioni della rugosità suggeriscono che la coppia inferiore può derivare dal rodaggio e dalla topografia superficiale con rugosità minore della pista dell’anello interno e dell’orletto (tabella 3). Questo potrebbe spiegare perché i vantaggi della TBO sono leggermente ridotti a velocità più elevate, dove lo spessore del film che separa le superfici è maggiore.

Nella figura 6 si può notare che la riduzione dell’attrito del cuscinetto ottenuta applicando la TBO sugli anelli è maggiore con un carico assiale di 250 N rispetto a un carico assiale di 100 N (entrambi a 1.800 giri/min). Ciò si spiega con il fatto che il contributo maggiore alla coppia in un cuscinetto a rulli cilindrici caricato radialmente e assialmente è dato dalla resistenza allo strisciamento dei contatti dell’orletto. A questo proposito, gli anelli in acciaio non rivestiti e gli anelli con TBO sono stati testati nel ciclo di carico assiale in cui il carico radiale è mantenuto costante, mentre il carico assiale è stato aumentato per enfatizzare il contributo dell’attrito. Le prove di carico assiale sono state eseguite con il grasso di riferimento e con un altro grasso a basso attrito (grasso2) per confrontare l’effetto dell’applicazione della TBO sugli anelli con quello di un grasso a basso attrito (figura 7). Si può osservare che, da un lato, per gli anelli in acciaio non rivestiti, la coppia del cuscinetto aumenta in modo lineare all’aumentare del carico assiale, quindi del contributo del contatto dell’orletto, mentre dall’altro, per gli anelli con TBO, la coppia del cuscinetto aumenta con il crescere del carico assiale. Rispetto alla variante in acciaio, a basso carico assiale il rivestimento di TBO mostra un attrito inferiore del 50%, mentre ad alto carico assiale presenta un attrito inferiore fino al 75% rispetto agli anelli privi di rivestimento. Questa osservazione è correlata al fatto che sono state misurate riduzioni di attrito più elevate sulla configurazione rullo su orletto rispetto alla configurazione sfera su disco. La figura 6 mostra inoltre che, dal punto di vista dell’attrito, i vantaggi dell’applicazione del rivestimento di TBO sono maggiori rispetto all’applicazione di un grasso a basso attrito nelle condizioni testate.

La figura 8 mostra l’aspetto visivo tipico dell’usura da rodaggio degli strati di conversione, in questo caso specifico quello osservato sugli anelli interni con TBO dopo le prove di attrito dei cuscinetti.

Osservazioni conclusive

Le prove di strisciamento alternato, le prove di rotolamento/strisciamento su banco WAM e le prove di attrito dei cuscinetti hanno dimostrato che la TBO ha un ottimo potenziale di riduzione dell’attrito. Nelle condizioni testate l’applicazione della TBO sul disco riduce il coefficiente di attrito da 0,08 a 0,06 nella configurazione con pista (figura 3) e da 0,09 a 0,02 nella configurazione con contatto dell’orletto (figura 4), rispetto ai dischi non rivestiti. Nelle prove con set di cuscinetti a rulli cilindrici l’applicazione della TBO sugli anelli interni ed esterni ha ridotto fino al 75% la coppia del cuscinetto (rispetto agli anelli non rivestiti), quando si applica un carico assiale cinque volte superiore (quindi aumenta il contributo del contatto dell’orletto) (figura 7). Sembra che una parte significativa dei vantaggi dell’applicazione della TBO per ridurre l’attrito dei cuscinetti derivi dalla zona di contatto dell’orletto, dove le pressioni di contatto non favoriscono il rodaggio (rispetto alle pressioni di contatto sulla pista).

I risultati confermano inoltre che i vantaggi ottenuti favorendo il rodaggio si traducono in prestazioni migliori in termini di fatica superficiale e usura quando la TBO viene applicata sulla superficie con rugosità maggiore [7]. A seconda delle condizioni operative, la TBO può apparire visivamente di colore nero, anche dopo una durata prolungata (figura 8), mentre può apparire di colore più brillante e levigato nelle aree di contatto dei corpi volventi. Anche se appare usurato, rimane uno strato sottile con un contenuto di ossigeno più elevato e una superficie più liscia. Vale la pena sottolineare che, all’esterno delle aree di contatto di rotolamento, la TBO apporta altri vantaggi, come una moderata protezione contro la corrosione, una maggiore adesione del lubrificante, una barriera contro l’idrogeno e altro ancora [2].

Sono necessari ulteriori sviluppi per convalidare, omologare e industrializzare la soluzione per le sale montate ferroviarie. Questi ulteriori passi saranno compiuti dai team di ingegneria e sviluppo ferroviario per offrire ai nostri clienti le soluzioni più efficienti e sostenibili dal punto di vista energetico.

Contatto: Esteban Broitman esteban.daniel.broitman@skf.com

References

1. E. Broitman; A. Ruellan; R. Meeuwenoord; D. Nijboer; V. Brizmer, “Comparison of Various Conversion Layers for Improved Friction Performance of Railway Wheel-End Bearings.” Coatings 13 (2023) 1980
2. “SKF Coatings Catalogue.”
3. E. Broitman, “Coatings to Improve Bearing Performance.” Evolution (2022) 1-7.
4. T. von Schleinitz, K. Nentwig, C. Bruckhaus and W. Kachler, “Brünierung: Die alte neue Hochleistungsschicht,” Galvanotechnik, vol. 5, pp. 889-894, 2018.
5. ”DIN 50938 – Black Oxide Coatings on Ferreous Metal Components – Requirements and test methods,” Deutsches Institut fur Normung e.V., Berlin, 2018.
6. ”ISO 11408: Chemical conversion coatings – Black oxide coating on iron and steel – Specification and test methods,” International Organization for Standardization, Geneva, 1999.
7. V. Brizmer; K. Stadler, M. van Drogen; B. Han; C. Matta; E. Piras, “The Tribological Performance of Black Oxide Coating in Rolling/Sliding Contacts.” Tribology Transactions 60 (2017) 557–574.