I componenti meccanici, in moto relativo sotto carico, dissipano energia per attrito e subiscono danneggiamento superficiale per usura. Per limitare l‘incidenza di questi fenomeni, è stata sviluppata la disciplina denominata tribologia. L’importanza di un approccio tribologico può essere valutata considerando che: • circa 1/3 di tutta l’energia prodotta nell’industria è dissipata in attriti; • un migliore impiego delle conoscenze già disponibili sui fenomeni tribologici, non solo in fase di manutenzione ma già in sede di progettazione, consentirebbe un risparmio compreso tra l’1 ed il 4% del PIL di un paese industrializzato, derivante dalla maggiore efficienza ed affidabilità dei sistemi. La tribologia prende in esame i sistemi reali dal punto di vista meccanico e chimico-fisico, integrando le conoscenze più recenti in termini di tecnologie per la modificazione superficiale, al fine di aumentarne la vita in esercizio o la gamma di sollecitazioni applicate.
Topografia AFM di una superficie rivestita con strato antiattrito/antiusura
Il punto di partenza per una corretta ottimizzazione è la caratterizzazione di superfici e detriti di usura, così da identificare i meccanismi di usura dominanti. Nonostante, infatti, nei sistemi reali siano individuabili numerose tipologie di processi di usura, i meccanismi fondamentali sono sempre 4: adesione, abrasione, tribo-ossidazione e fatica superficiale. L’individuazione del meccanismo di usura prevalente è fondamentale per selezionare le prove tribologiche più idonee a riprodurre, su scala di laboratorio, le condizioni di contatto del sistema reale. Le prove accelerate di laboratorio consentono (i) di valutare l’influenza dei diversi parametri sulla risposta tribologica del sistema (es. carico, velocità), oltre che l’influenza del tipo di antagonista; (ii) di selezionare, in via preliminare, nuovi materiali/trattamenti di modificazione superficiale, i più promettenti dei quali potranno essere in seguito validati mediante prove a banco.
L’approccio integrato, tipico degli studi tribologici, permette la completa identificazione dei fattori che influenzano la risposta del sistema in termini di attrito e usura. Sulla base di questi dati, è possibile l’ottimizzazione diretta dei componenti coinvolti, con tempi abbreviati rispetto a quelli tipici dell’approccio trial-and-error.
Molti contatti tribologici prevedono moto di strisciamento (sistemi di trasporto e gestione del moto, cuscinetti a strisciamento, sistemi camma-punteria con piattello, utensili per asportazione di truciolo, guide (industria tessile, alimentare e packaging), accoppiamenti disco freno-pastiglia, stampi per forgiatura, trafilatura, estrusione, giunti protesici…). Mediante uno studio tribologico approfondito è possibile ottimizzare i componenti coinvolti, estendendone la vita in esercizio o allargando la gamma di sollecitazioni applicate.
Tribometri strumentati per la misura di attrito e usura (prove accelerate)
Disco distribuzione in acciaio inox soggetto a strisciamento
Il sistema studiato comprende un disco di distribuzione (attualmente prodotto in acciaio inox austenitico, rivestito con uno strato metallico a medio spessore), soggetto a strisciamento intermittente in assenza di lubrificazione contro un antagonista in diverso inox austenitico. Il contatto è di tipo non conforme su linea. I meccanismi di usura prevalenti, identificati mediante failure analysis sui componenti reali sono (i) usura adesiva dell’antagonista in acciaio, (ii) usura tribossidativa moderata a carico del rivestimento sul disco di distribuzione, con blanda tendenza alla frattura del rivestimento. L’obiettivo finale è stato l’individuazione di materiali e/o trattamenti di modificazione superficiali alternativi a quelli attualmente in uso, in vista di un miglioramento delle prestazioni. Identificazione di un trattamento termochimico innovativo come alternativa ad un rivestimento metallico attualmente impiegato
azienda del settore packaging
Attività analoghe a quella qui esemplificata si sono svolte in collaborazione con diverse aziende del territorio, conducendo all’identificazione dei parametri tribologici di maggiore influenza e/o allo sviluppo di soluzioni alternative a quelle attualmente impiegate, in modo da migliorare le prestazioni tribologiche dei sistemi studiati.
Individuazione di soluzioni per la riduzione dell'usura