Guida alla selezione dei materiali comuni per cuscinetti

La selezione dei materiali per cuscinetti influisce direttamente sull'affidabilità e sulla durata dei sistemi meccanici, richiedendo l'allineamento con le condizioni operative (carico, velocità, ambiente). I principali materiali per cuscinetti sono suddivisi in tre tipi: metallici, non metallici e metallici porosi. Di seguito è riportata un'analisi tecnica delle loro caratteristiche e degli scenari applicativi.

I. Materiali metallici: scelta principale per il supporto di carichi pesanti

1. Leghe per cuscinetti (leghe Babbitt/metalli bianchi)

• Composizione e struttura: Leghe a matrice morbida con stagno o piombo come base, contenenti grani duri di antimonio-stagno (Sb-Sn) e rame-stagno (Cu-Sn).
• Vantaggi principali:
  • La matrice morbida offre elevata duttilità e conformabilità, mentre i grani duri migliorano la resistenza all'usura;
  • Eccezionale capacità di incorporamento (consente alle particelle di impurità di incorporarsi, prevenendo i graffi sul perno) e proprietà anti-adesive all'usura;
  • Buona conducibilità termica (riduce l'accumulo di calore da attrito) e assorbimento dell'olio (migliora la lubrificazione).
• Limitazioni:
  ▪ Bassa resistenza, che richiede l'uso come rivestimento sottile (0,5–5 mm) fuso su gusci di cuscinetti in bronzo, acciaio o ghisa;
  ▪ Costo elevato, adatto per applicazioni a carico pesante e velocità media con severi requisiti di lubrificazione (ad esempio, turbine a vapore, alberi principali dei motori a combustione interna).

2. Leghe di rame

• Tipi tipici:
  ▶ Bronzo allo stagno: Eccellenti proprietà anti-attrito, utilizzato in scenari a carico pesante e velocità media (ad esempio, cuscinetti dell'albero dell'elica marina), ma con conformabilità inferiore alle leghe per cuscinetti;
  ▶ Bronzo al piombo: Elevata capacità anti-grippaggio, adatto per carichi pesanti ad alta velocità (ad esempio, cuscinetti dei motori aeronautici);
  ▶ Bronzo all'alluminio: Elevata resistenza e durezza, debole anti-grippaggio, utilizzato in carichi pesanti a bassa velocità (ad esempio, cuscinetti per macchinari minerari).
• Vantaggi comuni: Maggiore durezza e capacità di carico rispetto alle leghe per cuscinetti, offrendo una migliore convenienza economica.

3. Leghe a base di alluminio

• Caratteristiche tecniche:
  • Bassa densità (circa 1/3 delle leghe di rame), forte resistenza alla corrosione ed elevata resistenza alla fatica;
  • Possono essere fabbricate come componenti monometallici o strutture bimetalliche (rivestimento a base di alluminio + supporto in acciaio), sostituendo alcune leghe per cuscinetti e bronzi.
• Applicazioni: Cuscinetti per motori automobilistici, cuscinetti per compressori in scenari a carico medio e alta velocità.

4. Ghisa (ghisa grigia/ghisa resistente all'usura)

• Meccanismo di rinforzo: Le scaglie di grafite (lamellari o nodulari) formano uno strato lubrificante solido, assorbendo i lubrificanti per migliorare la lubrificazione limite.
• Restrizioni:
  ▪ Fragile con scarsa conformabilità, adatto solo per applicazioni a basso carico e bassa velocità (ad esempio, macchinari agricoli, cuscinetti per utensili manuali);
  ▪ Richiede lubrificazione, inadatto per ambienti con carichi d'urto.

II. Materiali non metallici: soluzioni per ambienti speciali

1. Materiali polimerici (plastiche)

• Tipi comuni:
  ▶ Resina fenolica: Resistenza alle alte temperature (150℃), elevata resistenza, utilizzata nei cuscinetti per ingranaggi;
  ▶ Nylon (PA): Buona autolubrificazione, assorbimento degli urti, adatto per ambienti polverosi;
  ▶ Politetrafluoroetilene (PTFE): Coefficiente di attrito estremamente basso (0,04), resistenza alla corrosione, utilizzabile senza lubrificazione.
• Limitazioni di applicazione:
  ▪ Scarsa conducibilità termica (1/200 dell'acciaio), che richiede il controllo della velocità di esercizio (≤0,5 m/s) e della pressione (≤3 MPa);
  ▪ Elevato coefficiente di espansione lineare (10 volte quello dell'acciaio), che richiede giochi di accoppiamento 2–3 volte maggiori rispetto ai cuscinetti metallici;
  ▪ Bassa resistenza e tendenza al creep, inadatto per cuscinetti di precisione.

2. Materiali grafite-carbonio

• Vantaggi prestazionali:
  • L'autolubrificazione si basa sul vapore acqueo adsorbito e sui lubrificanti impregnati (ad esempio, metalli, PTFE, disolfuro di molibdeno);
  • Resistenza alle alte temperature (oltre 600℃), resistenza alla corrosione, adatto per ambienti sottovuoto o fortemente corrosivi (ad esempio, cuscinetti per pompe chimiche).
• Proprietà del materiale: Un contenuto di grafite più elevato porta a una minore durezza e a un coefficiente di attrito minore (fino a 0,08).

3. Gomma e legno

• Gomma: Elevata elasticità, assorbimento delle impurità, utilizzato in ambienti lubrificati con acqua o inquinati (ad esempio, cuscinetti per apparecchiature per il trattamento delle acque reflue);
• Legno: Struttura porosa per l'impregnazione di olio, adatto per ambienti polverosi (ad esempio, macchinari tessili, cuscinetti per macchinari agricoli), che richiede un trattamento superficiale per una maggiore resistenza all'usura.

III. Materiali metallici porosi: ottimali per scenari autolubrificanti

1. Principio del materiale

• Processo di fabbricazione: Le polveri metalliche (principalmente ferro/bronzo) vengono pressate e sinterizzate in una struttura porosa (porosità 10%–35%), satura di olio prima dell'uso per formare cuscinetti impregnati di olio.
• Meccanismo di lubrificazione:
  ▶ Durante il funzionamento: la rotazione del perno e l'aumento della temperatura rilasciano l'olio dai pori sulla superficie di attrito;
  ▶ Durante l'arresto: l'azione capillare richiama l'olio nel cuscinetto, consentendo l'autolubrificazione periodica.

2. Materiali e applicazioni tipici

• Ferro poroso: Maggiore resistenza, utilizzato in scenari a carico medio e bassa velocità come rivestimenti per mulini, cuscinetti per alberi a camme di motori a combustione interna;
• Bronzo poroso: Buona resistenza all'usura, adatto per elettroventole, macchinari tessili e cuscinetti per generatori automobilistici (carico ≤10 MPa, velocità ≤2 m/s).
• Raccomandazioni per l'uso: Rabbocco regolare dell'olio per prestazioni ottimali, inadatto per carichi d'urto o alte velocità (>3 m/s).

Riferimento per la decisione di selezione

Conclusione

1. Carico pesante e alta velocità: Dare la priorità alle leghe per cuscinetti o al bronzo al piombo con sistemi di lubrificazione forzata;
2. Ambienti corrosivi/senza olio: Utilizzare plastiche PTFE o materiali grafite-carbonio, scambiando una certa capacità di carico per l'adattabilità ambientale;
3. Autolubrificazione a basso costo: I materiali metallici porosi sono ideali per scenari a bassa velocità e carico leggero.
   Valutando in modo completo parametri come carico, velocità, temperatura e mezzi ambientali e combinando le proprietà fisico-meccaniche dei materiali con i costi, la durata dei cuscinetti e l'affidabilità operativa delle apparecchiature possono essere significativamente migliorate.