Temperature estreme, zero compromessi.
I cuscinetti sono componenti critici praticamente in tutte le macchine a cui potremmo pensare.
Sono fondamentali per le turbine eoliche e i veicoli elettrici, per gli impianti siderurgici e i piccoli elettrodomestici. Tutti questi cuscinetti devono operare in modo affidabile, a volte per anni o persino per decenni, senza interruzioni, qualunque siano le condizioni a cui sono esposti.
Tali condizioni possono prevedere ambienti estremamente puliti, dove l’igiene è una priorità assoluta. Oppure condizioni estremamente gravose, come quelle che si trovano in miniere, cave e cementifici. O potrebbe trattarsi di ambienti umidi, dove i cuscinetti devono resistere all’afflusso continuo di acqua o altri liquidi. In questo articolo ci concentreremo sulle temperature estreme in ambienti nei quali i cuscinetti devono continuare a ruotare con qualsiasi grado di caldo o freddo.
Dal caldo infernale di un’acciaieria al freddo glaciale delle esplorazioni artiche, stiamo parlando di temperature alle quali i cuscinetti standard semplicemente non possono essere affidabili.
Per progettare e produrre cuscinetti in grado di resistere a queste temperature estreme servono anni di esperienza, materiali specifici, strategie di lubrificazione avanzate e soluzioni progettuali innovative. Fortunatamente NSK è in grado di offrire tutto questo, garantendo prestazioni, durata e affidabilità a tutte le temperature.
Caldo
NSK classifica come caldo estremo qualsiasi temperatura superiore ai 120°C, cioè la temperatura di esercizio standard di un normale cuscinetto lubrificato a grasso.
Naturalmente si tratta già di un caldo rovente, ma molti cuscinetti sono chiamati a sopportare temperature ancora più estreme, ad esempio attorno ai 400°C negli impianti siderurgici, e potenzialmente fino a 1000°C (per brevissimi periodi) in alcune applicazioni aerospaziali (anche se il cuscinetto stesso non raggiungerà questa soglia).
È importante ricordare che, se deve operare a temperature estreme, il cuscinetto deve essere in grado di resistere al calore in ogni suo dettaglio.
Questo non riguarda solo il materiale utilizzato per gabbie, anelli e corpi volventi (fattore ovviamente di grande importanza), ma anche le tenute, gli schermi e i lubrificanti. Spesso l’elemento critico è proprio il lubrificante, perché i lubrificanti tradizionali vengono meno alla loro funzione quando le temperature superano i 120-150°C.
Una soluzione è l’utilizzo del grasso Krytox, che rappresenta sostanzialmente lo standard di riferimento per ambienti con temperature elevate, presenza di sostanze chimiche aggressive o ricchi di ossigeno. Krytox assicura stabilità termica ben oltre i 250°C e inerzia chimica e, spesso, viene impiegato dove è fondamentale la compatibilità con l’ossigeno.
Un’altra soluzione è utilizzare lubrificanti solidi, che formano uno strato oleoso fra le due superfici per impedire che l’attrito tra le parti. Essenzialmente si tratta di un materiale solido che svolge esattamente lo stesso compito di un liquido o un grasso.
Parlando di tenute, NSK usa tenute Viton che possono resistere a temperature costanti fino a 200°C, con picchi di 250°C per brevi periodi.
Queste tenute offrono lunga durata e prestazioni elevate non solo a temperature estreme, ma anche in presenza di sostanze chimiche, essendo estremamente resistenti a oli, carburanti, solventi e acidi e garantendo una protezione molto più alta rispetto alle normali tenute in gomma. Vengono utilizzate spesso in applicazioni come motori per autoveicoli, ambienti aerospaziali, impianti chimici e macchinari industriali.
L’offerta di prodotti di NSK per alte temperature comprende soluzioni a partire da 150°C (X26) per arrivano fino a 250°C (X29).
Superata questa soglia, bisogna valutare la gamma Spacea, specificamente progettata per ambienti estremi. All’interno di questa serie, i cuscinetti YS e SJ utilizzano un lubrificante solido al bisolfuro di molibdeno (MoS2) per resistere rispettivamente a temperature fino a 350°C e 400°C. Questi lubrificanti solidi consentono di operare in ambienti nei quali il grasso standard finirebbe per evaporare o decomporsi.
Freddo
I cuscinetti per temperature estremamente fredde sono meno diffusi rispetto ai corrispettivi per ambienti estremamente caldi.
Questo perché il freddo estremo è molto più raro del caldo estremo praticamente in tutti i processi industriali. Ma questo non significa che non vi sia richiesta in assoluto. In alcuni settori come l’esplorazione spaziale, la medicina, l’esplorazione artica e la criogenia, questi componenti sono assolutamente vitali.
Le problematiche poste dal freddo estremo sono spesso diametralmente opposte a quelle del caldo rovente. I lubrificanti falliscono il loro compito perché oli e grassi tendono ad addensarsi o a congelare. I componenti metallici si contraggono (invece di dilatarsi), alterando i giochi interni. Alcuni cuscinetti possono diventare rigidi o lenti, faticando quindi a mettersi in moto quando fa freddo.
Le soluzioni spaziano da lubrificanti specifici per basse temperature o alternative solide (come i cuscinetti per calore estremo), adottando acciai o ceramiche specifici come il nitruro di silicio e regolando i giochi interni per compensare la contrazione del materiale. Alcuni cuscinetti sono persino dotati di gabbie flessibili che si spostano in base alle variazioni di temperatura.
Un esempio eccellente dell’offerta di NSK per ambienti freddi sono i cuscinetti radiali rigidi a sfere autolubrificanti per pompe sommergibili in applicazioni criogeniche.
Questi cuscinetti in acciaio inox con gabbia in fluoroplastica autolubrificante sono sempre più utilizzati dai maggiori costruttori.
Queste pompe devono essere in grado di funzionare in modo continuo o intermittente, a temperature che possono scendere fino a -200°C. Il cuscinetto doppio dell’albero della pompa è un elemento assolutamente critico e deve essere resistente alla corrosione. Non è possibile utilizzare alcuna lubrificazione oltre alla ralla attorno al cuscinetto.
NSK ha quindi sviluppato una serie di cuscinetti radiali rigidi a sfere specifica per queste condizioni operative eccezionali, con caratteristiche progettuali che li distinguono dai normali cuscinetti per pompe. Questi cuscinetti sono realizzati solitamente con AISI 440C o acciaio inox martensitico analogo, che offrono sia resistenza alla corrosione, sia resistenza meccaniche a temperature criogeniche.
Una solida gabbia che occupa interamente il volume interno del cuscinetto funge da guida per gli elementi volventi (anch'essi in acciaio inox), mentre il materiale della gabbia, una fluoroplastica autolubrificante, assicura la rotazione del cuscinetto con poco attrito senza lubrificazione esterna. Inoltre, la fluoroplastica ad alte prestazioni è estremamente resistente all'usura e presenta buone proprietà alle basse temperature a velocità fino a 3.600 giri/min. La gabbia è divisa in due metà, giuntate mediante rivetti di acciaio inox.
Questi cuscinetti radiali rigidi a sfere raggiungono una durata notevolmente più lunga rispetto ad altri cuscinetti per questo tipo di applicazione, ad esempio quelli con gabbia in resina fenolica. Naturalmente questi cuscinetti sono adatti anche alle pompe che movimentano altri gas criogenici, come l'azoto.
Per rispondere alla crescente domanda di cuscinetti per ambienti freddi, continueremo a fare innovazione, così come per i cuscinetti per calore estremo; pertanto, restate in attesa di novità in questo ambito nei prossimi anni.
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