Il fretting spiegato – Definizione, funzionamento e prevenzione

Il fretting è un fenomeno che provoca danni quando le superfici metalliche entrano in contatto per sfregamento ripetuto o movimento ciclico di scorrimento. Il danno indotto dall’attrito provoca il trasferimento di materiale e la corrosione, con conseguente usura meccanica.

In un primo momento, questa descrizione può sembrare simile a quella del fretting, ma questi due processi presentano differenze fondamentali. In generale, il termine galling si riferisce ai danni da usura associati a un movimento relativo grossolano su scala molto più ampia rispetto al movimento relativo di piccola ampiezza associato ai contatti di fretting.

Scopriamo le ragioni del processo di fretting e come proteggere i sistemi meccanici da questo tipo di usura.

Che cos’è l’usura da sfregamento e quando si verifica?

Il fretting è un tipo di usura che deriva da movimenti oscillanti di bassa ampiezza o da vibrazioni in presenza di un’elevata pressione di contatto. Questi piccoli movimenti ciclici e micro-slittamenti generano tensioni sulla superficie di contatto, degradando i metalli nel tempo.

Il fretting è una combinazione di usura adesiva e abrasiva. Il movimento oscillatorio provoca un’usura da fatica che viene potenziata dall’adesione delle asperità della superficie di contatto. Questo legame, tuttavia, è di breve durata, poiché viene interrotto poco dopo dai piccoli movimenti, dando origine a detriti da usura.

Se i detriti e/o la superficie subiscono successivamente una reazione chimica, principalmente di ossidazione, il meccanismo viene definito corrosione da fretting. Il fretting porta a un aumento della rugosità superficiale e a micropunte, che riducono ulteriormente la resistenza alla fatica dei componenti.

Molti componenti e sistemi di macchine sono esposti a piccoli movimenti che causano il fretting. Queste piccole oscillazioni possono provenire da parti destinate a muoversi per progettazione (ad esempio, alberi a camme e molle a balestra) o non destinate a muoversi (ad esempio, flange imbullonate, giunzioni rivettate e sedi di chiavette) e causate da vari fattori esterni.

Il movimento di scorrimento relativo ha un’ampiezza ridotta, generalmente compresa tra i micrometri e i millimetri, ma in alcuni casi può essere misurata anche in nanometri. Il fretting può causare gravi danni anche con un piccolo percorso di attrito.

Le superfici lisce sono più soggette all’usura da fretting, poiché le sollecitazioni nei punti di contatto tra le superfici di accoppiamento sono amplificate.

Il termine usura da fretting è stato considerato intercambiabile con corrosione da fretting. È interessante notare che l’usura da fretting può verificarsi anche nel vuoto (ad esempio nei meccanismi spaziali) e in materiali che non si ossidano, come l’oro e il platino. Per questo motivo è importante trattare separatamente i termini di corrosione da sfregamento e di fatica da sfregamento, anche se il più delle volte questi fenomeni si manifestano insieme.

Corrosione da sfregamento

La corrosione da strisciamento si sviluppa a causa della rimozione degli strati protettivi di ossido sulle superfici metalliche, esponendo il metallo fresco agli elementi corrosivi. I detriti di usura creati dal costante movimento di scorrimento accelerano il processo di corrosione poiché le particelle non possono sfuggire al contatto, causando un’usura abrasiva e la successiva ossidazione del metallo appena esposto, continuando il processo e portando a volumi di usura elevati.

La corrosione dipende dall’inerzia del materiale. Nel caso dell’acciaio, l’ossido di ferro è più duro dell’acciaio stesso e quindi agisce come un abrasivo e causa molti danni alle superfici.

La corrosione da fretting può verificarsi in metalli come l’acciaio, l’alluminio, la ghisa e altri metalli non ferrosi, ma anche in polimeri e ceramiche. Il colore delle particelle di detriti per la corrosione da fretting appare diverso da quello della corrosione normale. L’alluminio si corrode di colore bianco in condizioni normali e diventa nero con la corrosione da sfregamento, mentre l’acciaio diventa rispettivamente grigio e marrone rossastro.

Esempi di fretting corrosion riguardano i cuscinetti del passo delle turbine eoliche (falsa brinellatura) in cui il meccanismo di usura oscilla e gli impianti ortopedici quando i due materiali a contatto sono in movimento relativo tra loro.

Fatica da fretting

L’area di contatto dei due materiali è interessata da sollecitazioni cicliche di attrito, con conseguente fatica da fretting. Nella zona di fretting iniziano a formarsi cricche da fatica che si propagano ulteriormente nel materiale. La superficie del metallo presenta un carico di contatto elevato e una sollecitazione di attrito massima, mentre l’interno del metallo presenta valori di sollecitazione inferiori.

Pertanto, la fatica da fretting è diversa dalla rottura per fatica semplice. Esiste tuttavia una correlazione tra le due, in quanto la durata della fatica da fretting viene stimata a partire dai dati di durata della fatica semplice. Inoltre, la resistenza alla fatica da fretting è solitamente pari o inferiore alla metà della resistenza alla fatica semplice.

La durezza della superficie gioca un ruolo importante nella fatica da fretting. Le superfici di contatto dei metalli duri provocano la saldatura a freddo delle loro asperità, con conseguente cesoiamento e generazione di detriti da usura (corrosione da fretting). Se invece un metallo morbido e uno duro sono in contatto per fretting, è più probabile che si verifichi un’usura da fatica da fretting. Le asperità del metallo più duro intaccano il metallo più morbido, provocando una deformazione plastica del metallo più morbido e, infine, la perdita di materiale.

Un esempio di fatica da sfregamento si riscontra nei giunti meccanici delle pale dei motori degli aerei, dove, se non controllati, possono verificarsi guasti meccanici catastrofici.

Fattori che influenzano il fretting

• Carico – L’entità e la posizione del carico sono alcuni dei fattori chiave che favoriscono il fretting. Un carico non uniforme sulle parti meccaniche può portare a concentrare le sollecitazioni locali in aree specifiche della superficie metallica.
• Ambiente – La conseguenza di sottoporre i meccanismi a temperature e umidità relative inadeguate è la corrosione da fretting per ossidazione. È molto probabile che si verifichi un elevato tasso di usura quando le superfici metalliche si trovano in un ambiente corrosivo o in prossimità di agenti corrosivi.
• Proprietà dei materiali – Duttilità, plasticità, rugosità superficiale e inerzia sono alcune proprietà che influenzano il modo in cui le superfici reagiscono sotto carico e contatto.
• Movimento – I piccoli movimenti dell’ampiezza di scorrimento e il numero di cicli tra due superfici metalliche influiscono sulla quantità di usura da fretting.
• Superficie – Il comportamento del fretting è fortemente influenzato dalla finitura superficiale del materiale, dai rivestimenti e dalla lubrificazione.

Come ridurre il fretting

• Evitare del tutto il fretting – Questo può includere modifiche al progetto, lo smorzamento di eventuali vibrazioni e la verifica del corretto serraggio di tutti i giunti.
• Test dei sistemi di fretting – Le prove di collaudo possono essere utilizzate in un ambiente controllato per affrontare i problemi di fretting in meccanismi specifici.
• Rivestimenti e lubrificanti – I rivestimenti e la lubrificazione aggiungono un ulteriore strato di protezione dall’attrito, migliorando la resistenza al fretting. L’acciaio, ad esempio, è soggetto a fretting se accoppiato all’acciaio. Per ridurre il fretting è possibile accoppiarlo con acciaio rivestito di cadmio, indio, piombo, stagno o argento. Tuttavia, per quanto riguarda i lubrificanti, essi potrebbero essere schiacciati nell’area di contatto, causando comunque un contatto metallo-metallo. In alcuni casi, i lubrificanti possono addirittura avere l’effetto opposto a quello desiderato, in quanto un coefficiente di attrito inferiore può portare a un maggiore movimento.
• Durezza del materiale – La durezza influenza generalmente il coefficiente di attrito del materiale. Per migliorare la durezza del materiale, si possono utilizzare trattamenti superficiali e termici. Un altro metodo comune è la pallinatura, spesso eseguita durante le riparazioni per migliorare la resistenza e ridurre le sollecitazioni.
• Selezione del metallo – A volte è ottimale utilizzare due materiali con diversa duttilità o “morbidezza”. È dimostrato che una coppia di metalli morbidi e duri presenta meno danni da fretting rispetto a due metalli duri, poiché il metallo più morbido “scorre” anziché “sfregare” al contatto.
• Ambiente – Condizioni favorevoli, come un ambiente controllato durante il funzionamento e un corretto stoccaggio, riducono l’umidità non necessaria nel materiale, riducendone l’ossidazione.
• Inserti metallici sfusi – In alcuni casi si utilizzano inserti metallici sciolti per evitare il fretting o il contatto con la superficie, ad esempio utilizzando sottili piastre di rame per le superfici in titanio.
• Gomma – Se l’applicazione lo consente, le vibrazioni possono essere assorbite dalla gomma, prevenendo allo stesso tempo le zone di scivolamento.