FATTORI AMBIENTALI: COME POSSONO INFLUENZARE LA DURATA DELLE MOLLE

FATTORI AMBIENTALI: COME POSSONO INFLUENZARE LA DURATA DELLE MOLLE

Nel nostro viaggio attraverso i fattori che influenzano la rottura delle molle, abbiamo già esaminato attentamente alcuni aspetti cruciali:

PERCHÉ SI ROMPE UNA MOLLA

SOLLECITAZIONE STATICA E SOLLECITAZIONE DINAMICA: DIFFERENZE

ROTTURA A FATICA DI UNA MOLLA: I DIAGRAMMI DI WÖHLER E DI GOODMAN

FABBRICAZIONE DELLE MOLLE: QUALI MATERIALI VENGONO USATI

LA STRUTTURA DEL MATERIALE: COME INFLUENZA LA QUALITÀ DELLE MOLLE

LO STATO SUPERFICIALE DEL FILO: LE ANOMALIE CHE POSSONO DANNEGGIARE LE MOLLE

PALLINATURA, COME AUMENTA LA RESISTENZA A FATICA DELLE MOLLE

LA PALLINATURA CONTROLLATA: METODI E PRECISIONE

In questo nuovo articolo, ci concentreremo su un aspetto altrettanto importante: l’impatto dell’ambiente sulle prestazioni delle molle.

 

L’importanza dell’ambiente

Abbiamo discusso dei materiali, delle sollecitazioni meccaniche e dei processi di produzione. Ora è il momento di esplorare come il contesto in cui le molle vengono utilizzate possa influenzare la loro durata e affidabilità. Analizzeremo i fattori ambientali, le condizioni operative e i rischi connessi all’impiego delle molle.

Sia che si tratti di applicazioni industriali, automobilistiche o di altro tipo, comprendere l’interazione tra le molle e l’ambiente circostante è essenziale per progettare sistemi sicuri ed efficienti.

 

Fattori ambientali e loro impatto

Varietà di applicazioni delle molle

È noto che i settori d’impiego delle molle sono i più variegati; infatti, ogni qualvolta serve immagazzinare energia meccanica (elastica), per poi restituirla, la molla trova il suo impiego.

E questo capita ovunque, sia all’aperto, che al coperto, nello spazio cosmico, nel vano motore di un’auto o nel circuito idraulico di un elettrodomestico.

L’importanza del contesto di utilizzo

La prima domanda che si deve porre il progettista di componenti elastici è dove viene usata la molla. L’ambiente definisce le prime scelte specie sui materiali e a seguire sui processi di fabbricazione.

I due fattori ambientali di maggiore importanza sono:

– l’aggressività in termini di agenti corrosivi;

– il campo di temperature di utilizzo.

 

Corrosione: un nemico invisibile

Il processo corrosivo spiegato

La corrosione dei metalli è un fenomeno elettrochimico, sulla superficie del metallo avvengono delle reazioni di ossido-riduzione, come in una cella galvanica, con una specie chimica che si ossida (Anodo, perde elettroni dal suo strato più esterno) e un’altra specie chimica che si riduce (Catodo, acquisisce elettroni). Nel caso degli acciai legati e non legati, che sono prevalentemente costituiti da ferro, la specie che si ossida è ovviamente il ferro, mentre quella che si riduce è l’ossigeno contenuto nell’acqua.

L’ossido di ferro o, meglio, l’ossido ferrico (Fe2O3), la comune ruggine rossa, ha due caratteristiche che la rendono poco desiderabile: ha proprietà meccaniche decisamente inferiori a quelle del ferro puro e tende a staccarsi, quindi riduce il volume dell’oggetto metallico da cui si separa.

Questa doppia azione ha un effetto “strutturale” sui manufatti in metallo, tra cui le molle. Se la sezione resistente diminuisce a parità di carico applicato, aumenta la sollecitazione e se questa supera il carico di snervamento prima e quello di rottura poi, avviene prima il cedimento meccanico e poi la frattura duttile.

In poche parole, il filo o il nastro con cui è fatta la molla, si rompe. La cricca da corrosione è spesso un punto d’innesco della rottura dovuto al meccanismo della fatica. Resta inteso che la continuità strutturale è un prerequisito per evitare le rotture a fatica e la corrosione viola questo principio.

Ambienti ad alto rischio di corrosione

Sono corrosivi gli ambienti all’aperto per via dei cicli di caldo-freddo tra notte e giorno, che portano alla formazione dell’umidità, che innesca la corrosione superficiale.

La presenza di agenti chimici (per esempio i cloruri) che induce la formazione di acidi, è ovviamente peggiorativa dal punto di vista corrosivo. Ne segue che sono critici per le molle i seguenti contesti:

– Strade in cui viene usato il sale nei periodi invernali.

– Ambienti marini sia in prossimità del mare, che offshore.

– Contesti industriali che lavorano con presenza di vapori che contengono agenti acidi/basici.

Materiali resistenti alla corrosione

La valutazione dell’ambiente di utilizzo guida nella scelta dei materiali con cui fare la molla. Nella scala della resistenza a corrosione, ordinando i materiali dal meno resistente al più resistente, abbiamo:

– Acciai al carbonio (incruditi) / acciai legati (SiCr e altro).

– Acciai inossidabili a struttura austenica (1.4310 o 302).

– Acciai inossidabili austenici con Molibdeno (1.4401 o 316).

– Acciai austenitici ad alto contenuto di Nichel-Cromo (Duplex 1.44621, 4539-T904L ..).

– Leghe di nichel (Inconel, Nimonic, Monel), nichel-cobalto (Phynox, Hastelloy) e leghe di titanio.

Queste ultime sono praticamente immuni alla corrosione, ovviamente i costi sono di conseguenza.

 

Protezione dalla corrosione: strategie e materiali

Strategie di protezione dalla corrosione

Dato che non tutti i settori si possono permettere i costi delle leghe speciali, si è creato il settore della protezione alla corrosione, che con varie tecniche garantisce agli acciai “poveri”, la possibilità di essere impiegati in ambienti a media aggressività.

L’idea di base è che interponendo uno strato protettivo tra il metallo e l’ambiente si inibisce il contatto con gli agenti che innescano il processo corrosivo. È sull’efficacia protettiva dello strato anticorrosivo, che si gioca la performance della protezione. Infatti, qualsiasi azione che interrompe la continuità dello strato protettivo, espone il metallo al contatto con l’ossigeno e favorisce la corrosione. Esistono poi anche processi di diffusione ionica, tali per cui gli agenti corrosivi superano lo strato protettivo senza danneggiarlo e agiscono sotto di esso.

Sistemi di protezione più usati

Tra i sistemi di protezione più usati abbiamo i seguenti.

– Oliatura/ingrassatura.

– Fosfatazione, spesso usata come pretrattamento per le verniciature e la teflonatura.

– Verniciatura epossidica (a polvere) e in cataforesi.

– Teflonatura, che ha anche fini diversi dalla protezione, nel caso specifico la riduzione degli attriti di scorrimento.

– Protezioni galvaniche con vari metalli più o meno nobili. Tra cui zincatura, cromatura, nichelatura, stagnatura, ramatura, rodiatura, argentatura, doratura.

Per le molle in acciaio al carbonio incrudito, si fa un largo uso della zincatura.

Attenzione, non tutti i trattamenti galvanici sono utilizzabili su tutti i tipi di molle. Per esempio per gli acciai legati pre-temprati (SiCr, SiCrV..), è preferibile evitare i processi galvanici, specie quelli che usano un bagno di decapaggio acido. Il problema si chiama infragilimento da idrogeno (Hydrogen embrittlement). L’idrogeno si insinua nella matrice granulare dell’acciaio e crea cricche.

Queste si approfondiscono durante l’uso alternato delle molle e conducono a rotture premature, per fatica.

– Verniciature con zinco lamellare, Geomet 320, Zintek 200, Magni 565, Deltatone, Deltaprotekt con aggiunte varie (PFE o altro).

– Zinco-Nichel.

Quindi l’ambiente ha un primo forte impatto sulle scelte progettuali, relative al materiale da utilizzare per fare la molla. Da questa prima scelta discendono poi le altre, perché il materiale porta con sé delle prestazioni meccaniche (Re e Rm) con cui fare i conti e che definiscono di conseguenza la geometria della molla.

 

L’effetto delle temperature sulle prestazioni delle molle

Le prestazioni meccaniche degli acciai restano più o meno inalterate in un campo di temperatura definito. Tali prestazioni subiscono limitazioni sia alle basse che alle alte temperature.

Iniziamo a separare i due campi estremi.

Impatto delle basse temperature

Gli acciai al carbonio incruditi lavorano senza problemi fino a 20° C sotto zero, quelli legati (SiCr) fino a -30° C. Sotto queste temperature si osservano infragilimenti che posso condurre a rotture.

Quindi in presenza di ambienti termicamente ostili, aree dell’estremo nord e sud del mondo, impieghi industriali legati alla criogenia e soprattutto l’aero spazio, dove le temperature scendono a livelli non raggiungibili sulla terra per vie naturali, l’acciaio inossidabile e le leghe di nichel, restano l’unica soluzione. L’acciaio inox 1.4310 può arrivare fino a -150°/-200° C.

Nel settore aerospaziale di privilegia l’uso delle leghe di nichel e di titanio, non solo per la loro stabilità alle basse temperature, ma anche per le loro prestazioni alle alte temperature.

Impatto delle alte temperature

L’acciaio al carbonio incrudito presenta fenomeni di cedimento sotto carico già a temperature superiori a 100°C.

Le alte temperature hanno principalmente un effetto di rilassamento. La temperatura porta ad una dislocazione della matrice strutturale dell’acciaio, che si allunga con effetto permanente. Nel caso della molla a compressione, questo significa un accorciamento della molla e quindi una minore forza a parità di altezza.

Questo effetto viene reso efficacemente con la percentuale di cedimento. Si può calcolare la differenza del carico tra prima e dopo il rilassamento e compararla al carico iniziale, percentualizzando il valore ottenuto. Il fenomeno del cedimento ha un’evoluzione logaritmica, cioè si ripete uno schema di cedimento per decadi.

Tolta la fase iniziale (prime 72-96 ore) che è ad alto cedimento, nel tempo successivo la perdita di ripete per ogni decade. Cioè, se tra 100 e 1.000 ore la molla cede il 2%, sarà così anche tra 1.000 e 10.000 ore. Qui sotto è visibile una curva di rilassamento tra 0 e 10.000 ore.

fattori ambientali - grafico cedimento molla

La perdita di carico per rilassamento può essere ridotta, effettuando processi di assestamento a blocco, sia a temperatura ambiente (bloccatura a freddo), che a caldo (bloccatura a caldo).

Strategie per gestire le variazioni di temperatura

In quest’ultimo caso esistono diverse tecniche per indurre il cedimento, tutte lavorano nella prima parte dell’area del grafico soprastante, cioè, hanno l’obbiettivo di ottenere un cedimento controllato preventivo, che lascia al processo di lungo termine in servizio, solo la parte residuale del cedimento.

Gli acciai legati pre-temprati (Si-Cr), sono efficacemente utilizzati in questo ambito, con temperature fin a 130°c, specie nelle valvole del motore a combustione interna. Un assestamento a caldo, unito alle caratteristiche strutturali del materiale, garantiscono cedimenti limitati in servizio, pur in ambienti relativamente caldi.

Per temperature medio alte 120-200° C, si usano gli acciai austenici inossidabili.

Per alte temperature si usano le leghe di Nichel (Inconel, Nimonic, Monel), fino ad un massimo di 700° C e le leghe nichel-cobalto fino a 1.000° C.

Oltre questo limite non ci sono altre leghe con impieghi elastici che ci possano supportare.

Fattori ambientali: come vengono gestiti al Mollificio Valli

Al Mollificio Valli gli aspetti ambientali legati all’impiego delle molle sono tenuti in debita considerazione, già in fase progettuale. Consigliamo sempre al cliente di fornire un’ampia e dettagliata descrizione dell’ambiente d’impiego della molla, oltre che delle prestazioni considerate.

I processi di protezione alla corrosione sono ben noti e spesso utilizzati, collaborando con i nostri fornitori operanti in questo settore.  Conoscendo in dettaglio i limiti e i pregi dei vari metodi di protezione alla corrosione, possiamo consigliare al meglio i nostri clienti, in modo da coniugare sia l’aspetto prestazionale che economico.