Usura

Si definisce usura l’asportazione di materiale dalla superficie di corpi a contatto soggetti a moto relativo. L’usura colpisce le superfici dei membri a contatto delle macchine provocando un decadimento progressivo delle caratteristiche funzionali. Questo fenomeno, però, non ha solo lati negativi, anzi, è spesso usato per ridurre la rugosità di alcuni materiali eliminandone le asperità. Erroneamente si tende ad immaginare l’usura in una correlazione diretta con l’attrito, in realtà questi due fenomeni non sono collegabili in maniera semplice. Possono esserci condizioni tali per cui ad un basso attrito si può avere un’usura significativa e viceversa. Affinché si verifichi questo fenomeno, sono necessari determinati “tempi di realizzazione”, che possono mutare a seconda di alcune variabili, quali carico, velocità, lubrificazione e condizioni ambientali.

La messa fuori servizio di una macchina può essere ricondotta a tre cause principali:

  1. la rottura di elementi di macchine, dovuto a difetti del materiale o al fatto che il sistema sia assoggettato a carichi maggiori rispetto a quelli di progetto;
  2. l’obsolescenza, ossia l’invecchiamento dovuto alla comparsa sul mercato di macchine più evolute in grado di effettuare la medesima funzione in modo più conveniente sia dal punto di vista della velocità di esecuzione sia del risparmio energetico;
  3. l’usura, connaturata all’esercizio stesso della macchina, provocandone un decadimento progressivo della funzionalità, non sempre in misura proporzionale al trascorrere del tempo. Di solito, infatti, i fenomeni di usura mostrano un tasso di crescita più elevato man mano che il livello globale di usura cresce.

Oggi l’usura è argomento di studi teorici e sperimentali, dato che le tolleranze ammesse per un corretto funzionamento degli elementi di macchine sono molto piccole rispetto al passato. L’usura si manifesta attraverso:

  • un aumento dei giochi negli accoppiamenti con conseguenti imprecisioni nel movimento e aumento della rumorosità;
  • una possibile comparsa di fenomeni di urto e conseguenti vibrazioni che causano sovraccarichi dinamici e di sollecitazioni per fatica;
  • disuniforme distribuzione delle pressioni;
  • imprecisioni di funzionamento;
  • possibile aumento del tasso di usura stesso a causa dell’incremento delle azioni scambiate tra i corpi a contatto e dell’abrasione delle particelle di usura che si creano nella zona di contatto.

Tipi di usura

L’usura si classifica in quattro categorie, per ciascuna delle quali la natura dei fenomeni che la provocano è ormai chiarita, sia pure qualitativamente. Le leggi che la governano sono sempre di natura statistica e quindi interpretabili in termini di “tempo di sopravvivenza” in certe condizioni operative.

Usura adesiva

L’usura adesiva è la più frequente e pericolosa, poiché mentre le altre forme di usura si possono praticamente eliminare con opportuni interventi, l’usura adesiva può essere ridotta, ma è sempre presente. Quando due superfici strisciano o sono semplicemente a contatto l’una sull’altra, si creano innumerevoli microsaldature tra le punte delle asperità superficiali dovute alla rugosità dei corpi a contatto.

Durante il moto relativo di strisciamento tra i corpi queste microgiunzioni si strappano. All’atto dello strappo minuti frammenti di un solido rimangono aderenti all’altro, talvolta in forma di soluzione solida. Nel proseguire del fenomeno tali frammenti possono anche essere restituiti alla superficie originaria o rotolare formando particelle libere. In conclusione si può descrivere il comportamento del volume d’usura adesiva per mezzo di tre leggi principali:

  • Legge 1. La massa coinvolta nell’usura è proporzionale alla distanza percorsa nello sfregamento tra le superfici.
  • Legge 2. La massa coinvolta nell’usura è proporzionale al carico applicato.
  • Legge 3. La massa coinvolta nell’usura è inversamente proporzionale alla durezza del materiale meno duro.

Usura abrasiva

L’usura abrasiva consiste nello sforzo di taglio di superfici dure che agiscono su superfici più tenere, giacché le asperità della prima scalfiscono la seconda come un utensile. Il materiale asportato forma in genere frammenti liberi. L’usura abrasiva è molto distruttiva in quanto può avvenire per: scalfitura, strappamento, macinazione o erosione.

Usura corrosiva

Ogni materiale è attaccato chimicamente dall’ambiente; sovente il prodotto dell’attacco è un ossido che, una volta formato, protegge il materiale dall’ulteriore attacco. L’usura corrosiva è di tipo chimico perché nello strisciamento di due superfici lo strato di ossido, peraltro meno resistente, è asportato e consente il rinnovo dell’attacco chimico.

In ambiente corrosivo, l’azione meccanica e quella chimica possono esaltare reciprocamente i rispettivi effetti: gli strati superficiali, chimicamente protettivi ma facilmente asportabili, sono continuamente rimossi e subito si riformano innescando così un meccanismo di usura che può talvolta essere molto rapida.

Usura per fatica superficiale

L’usura per fatica superficiale è il fenomeno tipico che si manifesta tra superfici che presentano un moto relativo di rotolamento prevalente su quello di strisciamento, come ad esempio nei cuscinetti a rotolamento o nelle ruote dentate.

Nel ritmico ciclo di applicazione del carico, si provocano sotto le superfici, tipicamente alla profondità dove la sollecitazione raggiunge il valore massimo, cricche che procedono isolando frammenti di materiale che si staccano. Spesso questo tipo di usura passa inosservato quando sono presenti altri tipi di usura, essendo in genere di minore entità rispetto all’usura adesiva, abrasiva o corrosiva. In alcuni casi invece è considerevole: per esempio nel caso delle strade soggette a traffico di automezzi.

Usura da sfregamento o Fretting

L’usura da sfregamento si verifica nei sistemi soggetti a vibrazioni più o meno intense, le quali provocano dei movimenti relativi tra le superfici in contatto dell’ordine del nanometro. Questi microscopici movimenti relativi provocano sia usura adesiva, causata dallo spostamento stesso, sia usura abrasiva, causata dalle particelle prodotte nella fase adesiva, che restano intrappolate tra le superfici. Questo tipo di usura può essere accelerato dalla presenza di sostanze corrosive e dall’aumento della temperatura.

Usura da Erosione

L’usura da erosione si verifica quando delle particelle libere, che possono essere sia solide che liquide, colpiscono una superficie, provocandone l’abrasione. I meccanismi coinvolti sono di varia natura e dipendono da alcuni parametri, come l’angolo d’impatto, la dimensione della particella, la velocità d’impatto e il materiale di cui le particelle sono costituite.

Criteri per ridurre l’usura

Lubrificazione

La lubrificazione ha effetti benefici per l’usura adesiva, abrasiva e corrosiva. Gli effetti benefici della lubrificazione si ripercuotono sull’effettiva area di contatto che diminuendo dà luogo a un coefficiente di usura k più piccolo e, dunque, a un minore volume asportato. Quanto all’usura corrosiva il lubrificante ha un’azione di protezione delle superfici dall’azione corrosiva degli agenti chimici.

Scelta dei metalli a contatto

Le microsalature sono costituite da vere e proprie leghe metalliche. Quindi i metalli a contatto devono essere il meno possibile miscibili per ostacolare la formazione delle microsaldature e dunque gli effetti dell’usura adesiva. In particolare, un beneficio si ottiene già quando i raggi atomici dei metalli a contatto differiscono di più del 7%.

Trattamento delle superfici

La pratica di trattare le superfici consiste nel renderle “meno metalliche”, ossia nel metalloidizzarle. La protezione consiste in trattamenti superficiali quali la carburazione, la nitrurazione o la fosfatizzazione che producono materiale antisaldante. Questi processi sono vantaggiosi non tanto per l’indurimento superficiale, quanto appunto per la metalloidizzazione che ostacola la formazione delle leghe metalliche e quindi delle microsaldature.

Lappatura delle superfici

Lappando le superfici ed evitando la presenza di particelle dure e libere si riduce l’usura abrasiva.