FRETTING, CHE COS’È L’USURA DA SFREGAMENTO E COME PREVENIRLA CON GLI ENDOSCOPI

Un pericolo incombe sui sistemi meccanici: mai sentito parlare di fretting? Si tratta di un fenomeno degenerativo tra i più insidiosi e complessi che si manifesta quando due corpi solidi, premuti l’uno contro l’altro, subiscono piccoli movimenti oscillatori ciclici. Non a caso, viene anche chiamato usura da sfregamento.

Nelle prossime righe osserveremo da vicino come nasce e si sviluppa il fretting. Ci soffermeremo sui principali rischi ed andremo alla scoperta di tutte quelle piccole grandi accortezze utili a prevenirlo. Infine, passeremo in rassegna i principali metodi per rilevare il fenomeno, tra cui troveremo anche i nostri fedeli endoscopi industriali.

Che cos’è il fretting?

Come già accennato, il fretting si genera quando due superfici metalliche a contatto sono sottoposte a sfregamenti di diversa intensità. 

Per comprendere a fondo il fenomeno dell’usura da sfregamento, dobbiamo abbandonare l’idea che le superfici metalliche, anche quelle apparentemente più lisce e lucidate a specchio, siano perfettamente piane. Infatti, se ingrandissimo al microscopio la zona di contatto tra due componenti meccanici, vedremmo un paesaggio montuoso caratterizzato da picchi e valli microscopici chiamati asperità.

Il fretting si articola in tre fasi distinte, in grado di trasformare una vibrazione microscopica in un vero e proprio danno strutturale.

L’adesione iniziale

Quando due componenti vengono unite, ad esempio stringendo una flangia imbullonata, e viene applicato su di esse un carico non entrano in contatto in ogni punto delle loro superfici. I punti di contatto si verificano solo in prossimità delle loro asperità.

Di conseguenza, l’intera forza applicata si scarica su una superficie piccolissima generando una pressione talmente elevata da superare il limite di snervamento del metallo. A causa della pressione i picchi si schiacciano e gli atomi dei metalli si avvicinano fino a creare un legame chimico. In pratica, si verifica una saldatura a freddo a livello microscopico.

Usura abrasiva

Nel frattempo, le due superfici saldate sono sottoposte a micro-vibrazioni cicliche, generate ad esempio dal motore di un macchinario. Sono movimenti piccolissimi, spesso nell’ordine dei micrometri, ma sufficienti a causare la rottura meccanica delle saldature create nella fase iniziale del processo di fretting.

Le continue sollecitazioni provocano il taglio delle asperità con il conseguente distacco di microframmenti metallici. Se il movimento fosse ampio i detriti verrebbero espulsi. Tuttavia, essendo l’oscillazione del fretting microscopica, i frammenti rimangono intrappolati esattamente dove sono nati.

Così facendo si accumulano dando vita ad un’interfaccia abrasiva chiamata terzo corpo. Questa nuova superficie la possiamo equiparare ad una “carta vetro”, che ad ogni micro-oscillazione scava e riga i componenti a contatto.

Reazione chimica

I frammenti metallici appena grattati si surriscaldano per l’attrito e si ossidano istantaneamente a contatto con l’aria. Nel caso dell’acciaio, i detriti si trasformano in ossido di ferro. Questo è notevolmente più duro dell’acciaio originario da cui si è staccato: il “terzo corpo” diventa così ancora più aggressivo originando un circolo vizioso distruttivo.

Proviamo a questo punto a fare un esempio per comprendere meglio il fenomeno del fretting. Uno dei casi più tipici è quello dei bulloni della ruota dell’auto. Tali componenti sono stretti a fondo e quindi subiscono una forte pressione contro la superfice del cerchio.

Quando l’auto è in movimento, la ruota subisce costanti sollecitazioni e vibrazioni dall’asfalto, ma il cerchio non si muove visibilmente rispetto al mozzo. Tuttavia, a livello microscopico, l’elasticità dei materiali permette piccolissimi micro-slittamenti impercettibili tra la superficie del cerchio e quella del mozzo. 

Se smontassimo una ruota rimasta fissata per anni, potremmo notare una caratteristica polvere marrone/rossastra intorno ai fori dei bulloni. Non si tratta di ruggine, ma dei detriti di ossidi di ferro generati dal fretting. Il pericolo più grave è dato dall’accumularsi delle micro-tensioni appena descritte che con il tempo potrebbero dare origine a delle cricche in grado di propagarsi all’interno del materiale. Il rischio è che il componente si possa spezzare improvvisamente da un momento all’altro.

Come prevenire l’usura da sfregamento?

Le soluzioni pensate per ridurre il fenomeno di fretting perseguono i seguenti obiettivi:

• eliminare il micro-movimento;
• proteggere le superfici;
• impedire che l’aria aggredisca il metallo.

La prevenzione dall’usura da sfregamento inizia in fase di progettazione dei componenti meccanici. Infatti, i pezzi vengono pensati con geometrie e design in grado di assorbire al meglio le vibrazioni. Per riuscire in questo intento le forme vengono realizzate in modo da distribuire la pressione uniformemente, evitando che si concentri tutta nello stesso punto. 

Al tempo stesso, si inseriscono spesso dei cuscinetti flessibili o degli elementi in gomma tra le giunzioni: gli inserti si comportano come veri e propri ammortizzatori, assorbendo i micro-saltelli e azzerando lo scorrimento relativo tra i metalli.

Altro aspetto fondamentale in materia di prevenzione riguarda la scelta dei materiali. In meccanica la regola è evitare di accoppiare tra loro due superfici fatte dello stesso identico metallo, in quanto tendono a saldarsi a freddo con estrema facilità. 

È molto meglio abbinare un metallo duro a uno più morbido. Infatti, quest’ultimo sotto l’effetto della vibrazione tenderà a “scivolare” e ad assecondare il movimento anziché strapparsi. Qualora non fosse possibile usare metalli diversi si procede con trattamenti termochimici come ad esempio:

• la nitrurazione, in cui la superficie viene arricchita di azoto per dar vita ad uno strato protettivo che aumenta drasticamente la resistenza all’usura;
• la pallinatura, un bombardamento con micro-sfere d’acciaio che compatta la superficie rendendola incredibilmente resistente alla nascita delle crepe.

Un’ultima soluzione è data dall’applicazione di lubrificanti, i quali generano un film protettivo che riduce l’attrito e sigilla i punti di contatto, impedendo all’ossigeno di entrare e bloccando sul nascere il processo di ossidazione.

Metodi per rilevare il fretting

Nei paragrafi precedenti abbiamo osservato quanto il fretting sia invasivo e quanto, se trascurato per troppo tempo, possa compromettere irrimediabilmente il sistema meccanico. Quindi, quali sono le metodologie per individuare i primi segnali di usura da sfregamento e agire tempestivamente?

Profilometria 3D senza contatto

La profilometria 3D senza contatto è un metodo avanzato di misurazione ottica che permette di scansionare la superficie degradata. Il profilometro proietta fasci di luce speciali sul pezzo per mapparne la topografia con precisione millimetrica. 

In questo modo è possibile ricostruire un modello tridimensionale dell’area colpita, calcolando con precisione assoluta la profondità dei solchi e l’esatto volume di materiale che è stato asportato dal micro-sfregamento.

Microscopia elettronica a scansione (SEM)

Il microscopio elettronico permette di ingrandire la zona danneggiata migliaia di volte rispetto a un normale microscopio ottico. Attraverso il SEM, gli specialisti possono fotografare la morfologia intima delle creste metalliche strappate, analizzare la composizione chimica delle particelle di usura intrappolate e identificare tempestivamente la nascita delle primissime micro-cricche superficiali.

Test ad ultrasuoni

Per verificare le condizioni delle superfici colpite da fretting si utilizzano anche controlli non distruttivi, come il test a ultrasuoni. Nella pratica, vengono inviati impulsi acustici all’interno del materiale: se l’onda incontra una fessura o una discontinuità causata dalla fatica da sfregamento, viene riflessa indietro in modo anomalo. L’esame consente di mappare e intercettare le cricche sub-superficiali che viaggiano verso il cuore del metallo, invisibili anche alle analisi ottiche più sofisticate.

Endoscopi industriali

Gli endoscopi industriali sono fondamentali nella prima fase di test. Infatti, permettono di ispezionare visivamente le condizioni delle superfici metalliche senza smontare l’intero macchinario. La loro applicazione riduce i tempi di fermo dei macchinari e soprattutto evita i costi astronomici delle operazioni di smontaggio. 

Le sonde flessibili sono caratterizzate da diametri millimetrici e sono dotate di telecamere ad alta definizione con illuminazione a LED integrata: si insinuano con estrema facilità attraverso fori di ispezione, condotti o intercapedini. Così facendo, è possibile osservare direttamente i punti ciechi e le interfacce nascoste rilevando graffi, alterazioni cromatiche e accumuli di polvere corrosiva in tempo reale al fine di una perfetta manutenzione predittiva.

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