White etching crack
I cuscinetti sono componenti critici delle macchine per i carichi a cui sono sottoposti e la trasmissione del movimento. La sfida dell’aumento continuo della densità di potenza imposta dalla produzione di attrezzature moderna richiede maggiore affidabilità e capacità di carico dei cuscinetti.
Oggi i cedimenti dei cuscinetti dovuti a fatica da contatto di rotolamento in genere si verificano di rado e la durata finale di esercizio raggiunta dai cuscinetti volventi di solito supera di gran lunga la durata teorica calcolata. In alcuni casi, tuttavia, in applicazioni specifiche i cuscinetti possono danneggiarsi prematuramente al 5-10% della durata teorica calcolata.
I cedimenti prematuri dei cuscinetti in genere si verificano a intervalli consecutivi molto ravvicinati, ossia la distribuzione di Weibull mostra una pendenza elevata rispetto alla normale fatica da contatto di rotolamento (fig. 2).
Una caratteristica di molti cedimenti prematuri è rappresentata dalle reti di cricche estese sotto la superficie che hanno un aspetto di “white etching”, comunemente noto come white etching crack (WEC) (fig. 1). Tali cricche in genere si propagano in superficie, causando erosioni della pista. Questi fenomeni si osservano comunemente in casi di ritorni dal campo provenienti da applicazioni come moltiplicatori per turbine eoliche [1], organi di trasmissione automobilistici, alternatori e impianti ausiliari periferici [2][3], rulli di impianti per la produzione della carta e sistemi navali di propulsione [4]. La figura 3 mostra alcuni esempi tipici. L’origine di questo cedimento è stato oggetto di discussione approfondita per circa 15 anni e sono state avanzate varie ipotesi basate su valutazioni analizzate da diversi punti di vista. Un’analisi esauriente delle varie ipotesi è disponibile in [5][6]. Il fatto che negli ultimi decenni il cedimento prematuro dei cuscinetti sia stato affrontato da diversi punti di vista ha portato a una maggiore comprensione degli aspetti specifici del problema. Tuttavia, manca ancora il consenso tra i principali protagonisti nel campo dell’analisi di danneggiamento dei cuscinetti sull’origine e sui meccanismi di propagazione di questi fenomeni.
Negli ultimi quattro anni SKF ha intensificato studi, indagini e ricerche sul fenomeno delle cricche WEC per chiarirne il ruolo in relazione alla fatica da contatto di rotolamento dei cuscinetti e alla fatica accelerata (erosione prematura dei cuscinetti). Il problema è ancora oggetto di discussione nella comunità della scienza dei materiali, ma le scoperte di SKF dimostrano che le cricche WEC si verificano alla fine della catena dei cedimenti e sono una conseguenza naturale delle reti di cricche nei cuscinetti danneggiati prematuramente. Le cricche WEC sono considerate un sintomo piuttosto che l’origine dei cedimenti a fatica. In questo articolo viene approfondita una posizione condivisa dalla maggioranza degli esperti di SKF sui cedimenti prematuri e sulle cricche WEC. Viene proposta anche una definizione di white etching crack, vengono discusse le cause delle cricche WEC e viene presentato uno schema per tutte le cause di cedimenti che portano alla formazione delle cricche WEC.
White etching crack (WEC)
Le white etching crack sono cricche che si sviluppano nella microstruttura dell’acciaio dei cuscinetti. La superficie dell’acciaio presenta aree di white etching (WEA). White etching si riferisce alla colorazione bianca della microstruttura alterata di un campione di acciaio lucidato interessato dal fenomeno. Le aree interessate sono costituite da ferrite ultra fine, priva di carburi, ricristallizzata a livello nanometrico o da ferrite con una distribuzione molto fine di particelle di carburi. Le aree di white etching si formano per amorfizzazione dovuta all’attrito sulle pareti delle cricche durante lo strisciamento. Queste aree appaiono bianche al microscopio ottico, a causa della ridotta risposta del materiale all’agente di attacco. Le aree di white etching intorno alle cricche sono dal 10% al 50% più dure rispetto alla microstruttura circostante non interessata.
Cause della formazione delle cricche WEC
Cricche WEC a fatica da contatto di rotolamento
Si è scoperto che cuscinetti di piccola taglia, a lunga durata, fortemente caricati possono attraversare diversi stadi di fatica fino al cedimento (fatica a elevato numero di cicli) [7]. Il primo stadio è lo shake down, che causa deformazione microplastica, incrudimento e, infine, accumulo di sollecitazione residua. Durante lo shake down la superficie del cuscinetto può anche subire deformazioni microplastiche nei punti in cui vengono appiattite le asperità. Dopo lo shake down ha inizio la maggior parte della vita utile del cuscinetto, caratterizzata da modifiche graduali nella microstruttura [8]. Durante questo stadio la distribuzione dei carburi cambia a causa della deformazione microplastica [9][10]. Inoltre, l’austenite residua può degradarsi e tutte le modifiche della microstruttura sono accompagnate da un accumulo di sollecitazione residua. In uno stato avanzato di fatica da contatto di rotolamento all’interno dei cuscinetti è possibile rilevare aree di dark etching (DER) e di white etching, bande a basso angolo (LAB, Low-Angle Band) e bande ad alto angolo (HAB, High-Angle Band) (fig. 4 sinistra). Sebbene anche le bande ad alto angolo e quelle a basso angolo siano aree di white etching, hanno un aspetto diverso rispetto alle formazioni di cricche WEC irregolari riscontrate nei cedimenti prematuri dei cuscinetti. Questo porta alla conclusione che le formazioni di cricche WEC irregolari non sono parte della fatica da contatto di rotolamento (RCF, Rolling Contact Fatigue). Tuttavia, la microstruttura di queste aree di white etching non ha una struttura cristallina molto diversa da quella delle aree di white etching osservate nei cedimenti prematuri.
Per i cuscinetti medio-grandi gli effetti elencati sopra non si verificano necessariamente nello stesso modo dei cuscinetti di piccola taglia, fortemente caricati. Come altri componenti meccanici, questi cuscinetti in genere si danneggiano a causa della rottura dell’elemento più debole (ad esempio deviazioni preesistenti nella struttura del materiale come inclusioni e porosità). Come spiegato nella norma ISO/TR 1281-2:2008, il limite di fatica diminuisce con un cuscinetto di dimensioni superiori a un diametro medio di 100 mm. Inoltre, quando si confrontano gli effetti della pressione di contatto su cuscinetti di piccole e grandi dimensioni, il volume di sollecitazione interessato aumenta nei cuscinetti più grandi, allo stesso modo delle influenze negative degli anelli deboli. Ne sono un esempio le inclusioni, che sono una presenza normale dell’acciaio di tutti i cuscinetti [11]. Un altro fattore che gioca un ruolo importante è la pressione di contatto stessa; nell’esempio in figura 4, in cui si sono formate bande a basso e ad alto angolo, la pressione di contatto è relativamente elevata (> 3,2 GPa). In molti cuscinetti medio-grandi le pressioni di contatto applicate sono decisamente inferiori a 3 GPa; ciò significa che il carico di fatica è di un altro regime, che comporta meno danneggiamenti sull’intera struttura e più danni localizzati intorno alle inclusioni metalliche.
Le cricche WEC e l’effetto decorativo di dark etching sono stati riportati in cuscinetti interessati da contatto di rotolamento già negli anni ‘60 [12] e in SKF negli anni ‘80 [13]. Indagini successive condotte su cuscinetti medio-grandi con cedimenti prematuri (con test di sollecitazione HALT o prove di durata standard) hanno confermato che la formazione di reti di cricche WEC estese e irregolari è un sottoprodotto naturale nei cuscinetti interessati da contatto di rotolamento (fig. 4 destra).
Cricche WEC a fatica accelerata (erosione prematura)
La differenza tra erosione prematura (spesso interpretata come cricche WEC nel settore) e normale fatica da contatto di rotolamento dei cuscinetti si può riscontrare nel tempo che occorre ai diversi eventi per verificarsi prima dell’inizio dell’erosione (fig. 5). Inoltre, rispetto alle prove di durata o alla normale fatica da contatto di rotolamento i cedimenti prematuri sono spesso associati a inneschi di cricche in diversi punti/aree, come dimostrato dall’analisi dei cedimenti dei cuscinetti.
I motivi dell’innesco delle cricche nell’acciaio dei cuscinetti possono essere vari e le cricche possono accelerare in caso di sollecitazioni elevate e di riduzione della resistenza dovute all’impatto ambientale (fig. 6).
Le sollecitazioni che interessano i cuscinetti possono essere maggiori del previsto. Ecco alcuni esempi di tali situazioni:
- dinamiche impreviste o effetti di temperatura, che producono un precarico elevato da deformazioni strutturali, carichi di punta e altro ancora, possono causare un carico pesante di breve durata.
- Una sollecitazione strutturale nel materiale al cuore del cuscinetto (ad esempio causata da errori di forma, disallineamento o altri fattori) aumenta la sollecitazione nel materiale [14].
- Una maggiore sollecitazione sulle piste può essere causata anche da condizioni di contatto tribologico proibitivo (ad esempio spessori dei film eccessivamente ridotti e/o condizioni di slittamento) in combinazione con certi lubrificanti [15].
La resistenza dei materiali dei cuscinetti può essere influenzata negativamente da fattori ambientali che potrebbero generare idrogeno [16], tra cui:
- contaminazione da acqua,
- corrosione [17] e
- correnti elettriche parassite.
In questi casi carichi moderati possono generare danneggiamenti prematuri.
I fattori scatenanti che sono stati identificati per la fatica accelerata, entrambi correlati a maggiori sollecitazioni e minore resistenza dei materiali, sono stati verificati da test specifici condotti sui cuscinetti in SKF.
Quando si formano i nuclei delle cricche (talvolta associati alla formazione di aree di dark etching), si verifica un processo di sfregamento sulle pareti delle cricche [18]-[22] che porta al trasferimento di materiale da un lato all’altro della cricca. In questo modo si forma una cricca sinuosa, che accumula una microstruttura di white etching sul lato ricevente della cricca.
Lo sviluppo dell’area di white etching dipende anche dall’orientamento della cricca sotto la superficie, che può essere correlato all’intervento di forze interne e alle modalità di deformazione. Per questo motivo le aree di white etching si trovano sempre più spesso nelle cricche con orientamento orizzontale (parallele alla pista); le parti delle cricche con orientamento verticale, invece, in genere sono meno rappresentative di tali aree (fig. 7). Inoltre, la formazione di aree di white etching dipende dallo spazio tra le pareti della cricca e il numero di cicli di sollecitazione, oltre che dallo stato di sollecitazione interno del materiale.
Esempi di formazione di cricche WEC causate da maggiori sollecitazioni
Le figure 8, 9 e 10 mostrano due esempi di innesco di cricche WEC correlato alla sollecitazione. I risultati mostrati nelle figure 8 e 9 si riferiscono a un banco di prova per cuscinetti progettato per generare artificialmente sollecitazioni strutturali o deformazioni strutturali sulla sede del cuscinetto mediante ovalizzazioni. Questo si traduce in sollecitazioni di trazione locali sull’anello interno dei cuscinetti. Il test viene eseguito su un cuscinetto a rulli cilindrici con il relativo anello interno (diametro del foro di 220 mm) montato su una bussola ovalizzata a cinque lobi fissata all’albero con una certa interferenza. Tale bussola ondulata, prodotta mediante hard turning, crea cinque zone di sollecitazione di trazione di circa 205 MPa vicino alla superficie della pista dell’anello interno. Il cuscinetto di prova è un cuscinetto a due corone di rulli cilindrici modificato, dotato di una corona con otto rulli, invece di due corone con 24 rulli, sulla parte centrale dell’anello interno, in modo da adattarlo alla capacità del banco di prova per ottenere la sollecitazione da contatto necessaria (fig. 8). Il materiale del cuscinetto è acciaio SAE 52100 (100Cr6). La microstruttura del cuscinetto è martensite temperata con austenite residua fino al 7% (volume) e durezza di 62 HRC.
I cuscinetti sono stati testati a una pressione di contatto hertziano massimo di 1,8 GPa e a un valore kappa di circa 2. I cuscinetti sono stati sottoposti a test fino al cedimento.
Un cuscinetto si è danneggiato formando una cricca assiale visibile sulla pista dopo 1.150 ore (corrispondenti a 6,35 x 108 cicli di sollecitazione) sulla bussola ovalizzata a cinque lobi. Il secondo cuscinetto si è danneggiato formando due cricche assiali visibili dopo 1.570 ore (corrispondenti a 8,67 x 108 cicli di sollecitazione). La posizione delle cricche assiali coincide lungo la circonferenza con uno dei picchi di ovalizzazione, dove è presente una zona di sollecitazione di trazione.
Occorre notare che quattro degli stessi cuscinetti sono stati sottoposti a test in precedenza nelle stesse condizioni utilizzando un accoppiamento normale per albero (senza introduzione artificiale di ovalizzazione); nessuno dei cuscinetti si è danneggiato fino alla sospensione del test a circa > 2.200 ore (corrispondenti a 1,21 x 109 cicli di sollecitazione) e durante la post-analisi non sono state rilevate né cricche superficiali né cricche WEC sotto la superficie.
La post-analisi include test non distruttivi (NDT, Non-Destructive Test) mediante test con ultrasuoni (UST, Ultrasonic Test) e liquido penetrante, misurazione della rotondità dell’anello, analisi frattografica ed esame metallografico al microscopio.
Sul campione è stata realizzata una sezione parallela con una cricca aperta, come indicato in fig. 9. Si può notare che dopo l’attacco acido, parte della cricca principale appare bianca al microscopio ottico e che a una profondità di circa 500 µm sotto la superficie la cricca presenta ramificazioni. Anche le cricche ramificate sono cricche WEC che si sono propagate in una direzione parallela alla pista a circa 400 µm dalla cricca principale. L’ingrandimento delle cricche ramificate (figure 9b, c e d) supporta la tesi secondo cui le cricche sono collegate le une alle altre e formano reti di cricche WEC sotto la superficie. Alcune sezioni parallele sono state realizzate anche in altri due punti della circonferenza, corrispondenti ai picchi della bussola ovalizzata sull’albero. Sebbene non siano state osservate cricche superficiali, diverse cricche WEC sono state rilevate al di sotto della superficie di queste aree, dove le sollecitazioni da trazione indotte dall’ovalizzazione erano presenti durante il test. Per maggiori dettagli fare riferimento a [14].
I risultati presentati in figura 10 si riferiscono a un test eseguito con cuscinetti orientabili a rulli 23024 che sono stati esposti a carichi pesanti di breve durata.
Quando è sottoposto a un carico pesante di breve durata, il cuscinetto viene esposto a una pressione di contatto superiore a 3 GPa per circa 15 minuti in condizioni di buona lubrificazione (kappa circa 3,5).
Il cuscinetto sottoposto in precedenza a un carico pesante di breve durata viene montato in un secondo momento in un banco di prova radiale, dove vengono applicati una pressione di contatto moderata di circa 1,7 GPa e un valore kappa di circa 2. In queste condizioni i test vengono sospesi dopo circa 3,3 x 107 cicli, se i cuscinetti non si sono danneggiati prima. In figura 10 è mostrato un taglio lungo la circonferenza e un attacco Nital (una soluzione di acido nitrico e alcol) di un anello esterno. Il cuscinetto si è danneggiato dopo 1,9 x 107 cicli a causa di un’erosione nella zona caricata dell’anello esterno.
Esempi di formazione di cricche WEC causate da minore resistenza del materiale
In figura 7 è già stato mostrato un esempio di cricche WEC sotto la superficie in un cuscinetto con diffusione di idrogeno. In [22] è disponibile una post-analisi dettagliata dei cuscinetti obliqui a sfere e radiali a sfere con diffusione di idrogeno e senza diffusione di idrogeno.
Esempi di formazione di cricche WEC sotto l’azione dell’attrito misto e influenza del lubrificante
Le cricche WEC sono state riscontrate in cuscinetti assiali a rulli cilindrici 81212 durante l’esecuzione di test di valutazione dell’olio utilizzando banchi FE8 [23]. Attualmente, le condizioni dei test, una combinazione di attrito misto e slittamento cinematico elevato (non rappresentativo per i cuscinetti a rulli radiali), non hanno portato a risultati conclusivi. Al momento non è possibile provare in maniera definitiva se nei test con banchi FE8 le cricche WEC siano più una conseguenza della fatica innescata in superficie (dove anche il lubrificante gioca una ruolo importante) o il risultato dell’immissione di idrogeno, o una combinazione di entrambi questi fattori.
Sono stati eseguiti alcuni test sui cuscinetti utilizzando cuscinetti assiali a rulli cilindrici acciaio su acciaio 81212. Il materiale dei cuscinetti è acciaio standard per cuscinetti conforme alla norma SAE 52100, temprato a struttura martensitica, con un contenuto di austenite residua < 3 % e una durezza di circa 60 HRC. Questi cuscinetti sono stati sottoposti a test con carichi moderati (pressione di contatto massima di circa 1,9 GPa) e lubrificazione non appropriata (kappa circa 0,3).
Sono stati testati oli e miscele di oli differenti. In figura 11 è mostrato l’aspetto di un cedimento tipico.
Sebbene l’argomento non sia stato trattato in modo dettagliato in questo articolo, in tutti i test eseguiti i rulli si sono danneggiati quasi sempre, gli anelli raramente. I test sono stati eseguiti fino al cedimento (erosione) o alla sospensione. Per i cuscinetti che si sono danneggiati per erosione e che presentavano cricche WEC, si assume che cricche con effetti decorativi di white etching possano essersi sviluppate prima dell’eventuale erosione, perché talvolta le cricche sotto la superficie sono state trovate anche in componenti non erosi. Per maggiori dettagli fare riferimento a [15].
Discussione
I risultati descritti spiegano il motivo per cui le cricche WEC si possono trovare in ogni tipo di industria, di cuscinetto e di trattamento termico (materiale a tutta tempra e cementato) [1], si formano alla fine della catena dei cedimenti e sono una naturale conseguenza delle reti di cricche in cuscinetti con cedimenti prematuri.
Per poter identificare l’origine del cedimento prematuro dei cuscinetti non occorre solo studiare le cricche WEC, ma piuttosto è necessario scoprire gli effetti di indebolimento principali (correlati a maggiori sollecitazioni o minore resistenza dei materiali) che portano alla fatica accelerata.
In linea generale, il cedimento di qualsiasi componente meccanico è dovuto alla rottura dell’elemento più debole. Questa condizione si verifica quando la sollecitazione locale supera la resistenza locale. Il cedimento prematuro è il risultato di un indebolimento significativo dell’elemento più debole. L’affidabilità dei cuscinetti volventi utilizzati in varie applicazioni obbedisce al principio dell’anello più debole. Vi sono sempre punti deboli all’interno del materiale o sulla superficie di contatto e un cuscinetto si danneggia se l’anello più debole si rompe. Quando la lubrificazione è insufficiente o la superficie diventa ruvida (ad esempio in seguito alle intaccature di particelle), l’elemento più debole si può trovare sulla superficie e il cuscinetto si danneggia a causa di danni superficiali come affaticamento superficiale o usura. In condizioni di lubrificazione appropriata l’elemento più debole si può trovare sotto la superficie, a causa della presenza di difetti del materiale come inclusioni e sollecitazioni di taglio elevate derivanti da contatto hertziano; il cedimento del cuscinetto si verifica dall’innesco e dalla propagazione delle cricche dai difetti preesistenti del materiale. Per i cuscinetti volventi la resistenza dell’elemento più debole può essere correlata a un limite di carico o sollecitazione noto come limite di fatica. Un cuscinetto si danneggia se il limite di fatica viene superato e i cedimenti prematuri si verificano quando il limite di fatica è ridotto in modo significativo o, in altre parole, quando la resistenza dell’anello più debole è ridotta in modo significativo. È l’indebolimento, causato dalle sollecitazioni più elevate o dalla ridotta resistenza del materiale, a provocare l’innesco di cricche premature e la propagazione accelerata delle stesse che porta al cedimento prematuro dei cuscinetti. Quando non vi è indebolimento, un cuscinetto si può danneggiare in seguito alla fatica da contatto di rotolamento normale prodotta da una singola erosione che mostra una presenza scarsa, o nessuna, di cricche WEC, perché le cricche si propagano rapidamente quando il materiale raggiunge la fine della propria vita utile [7]. In altre parole, non rimane tempo per la trasformazione del materiale nel sistema di cricche. Con livelli crescenti di indebolimento il cuscinetto può danneggiarsi prematuramente mostrando cricche WEC estese, perché il materiale nei sistemi di cricche innescati ha il tempo di trasformarsi localmente da aree di dark etching ad aree di white etching. Con l’aumento del livello di severità possono formarsi cricche assiali con un effetto decorativo di white etching meno esteso o anche fratture senza effetto di white etching, perché le cricche si propagano troppo rapidamente [14].
Raccomandazioni
Ogni cedimento prematuro dei cuscinetti è unico. Osservando di nuovo la figura 6, si può notare che le cause dell’erosione prematura possono essere molto diverse. Non esiste un’unica causa principale e ogni cedimento deve essere esaminato alla luce delle condizioni operative corrispondenti.
Sulla base della categorizzazione dei fattori trainanti dell’indebolimento in “maggiori sollecitazioni” e “minore resistenza del materiale” è possibile fornire alcune raccomandazioni estremamente generiche, come mostrato nella tabella 1 in cui si fa una distinzione tra le raccomandazioni per l’applicazione stessa (il sistema di cuscinetti, il processo di progettazione) e sulle possibilità di migliorare la robustezza dei cuscinetti. L’opzione migliore per prevenire i cedimenti prematuri dipende dalle circostanze specifiche dell’applicazione. Per maggiori informazioni contattare l’SKF Application Engineering Service.
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