L'affidabilità funzionale e il tempo di usura di supporti con cuscinetti radenti dipendono, per ogni specifica progettazione di cuscinetti, dalle proprietà della coppia di materiali: cuscinetto – albero, più le proprietà del lubrificante. A seconda delle condizioni operative, assume maggior importanza l'effetto del materiale della coppia di scorrimento oppure l'effetto della lubrificazione.
La selezione dei materiali dei cuscinetti viene effettuata prendendo in considerazione i parametri di progettazione, le condizioni operative e specifiche esigenze economiche. Altre considerazioni indispensabili sono: le proprietà di scorrimento, la dimensione e il carattere della forza di caricamento, l'intervallo delle velocità di scorrimento e le temperature operative che provocano, la quantità e il tipo di lubrificante, l'affidabilità della lubrificazione, gli effetti dell'ambiente circostante, il tempo di usura desiderato e i fattori economici. Per una selezione corretta del materiale dei cuscinetti occorre considerare le proprietà di scorrimento, meccaniche e fisiche.
Le esigenze relative ai cuscinetti radenti sono diversificate e i materiali conosciuti non sono in grado di soddisfarle tutte. Per ogni specifico caso occorre definire l'ordine delle esigenze in base alla loro importanza e selezionare una soluzione parziale. Nel caso di cuscinetti idrostatici o cuscinetti che funzionano nella zona di lubrificazione idrodinamica, considerando la resistenza garantita è necessario dare priorità alla progettazione del cuscinetto e alla selezione del lubrificante. Nel caso di cuscinetti che funzionano nella zona di lubrificazione limite e calcolati anche per la zona di lubrificazione idrodinamica, così come nel caso dei cuscinetti radenti non lubrificati, è necessario considerare le proprietà di scorrimento del materiale. Le proprietà di scorrimento assumono precedenza per la zona di attrito misto.
I criteri principali in base ai quali si devono considerare i materiali sono i seguenti:
Il significato e l'ordine di tali criteri variano a seconda delle condizioni, che possono richiedere ulteriori criteri, quali: proprietà di funzionamento, proprietà di emergenza, capacità di bagnatura da parte del lubrificante, durezza, conduttività termica, espandibilità termica, densità, e così via.
Le principali categorie di materiali per cuscinetti sono composizioni di stagno e piombo, leghe di rame con stagno e piombo, leghe di alluminio, altri materiali metallici (ghisa grigia fusa, metalli porosi, e così via), plastiche, altri materiali non metallici (grafite, gomma, legno, e così via). Nella tabella che segue sono illustrati i criteri funzionali delle principali categorie di materiali per cuscinetti:
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Materiale del cuscinetto |
Resistenza al grippaggio con albero in acciaio |
Adattabilità e assorbenza di particelle dure |
Resistenza alla corrosione a contatto con olio |
Resistenza alla fatica |
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Composizioni di stagno |
ottima |
ottima |
ottima |
molto scadente |
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Composizioni di piombo |
ottima |
ottima |
media |
molto scadente |
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Lega Cu-Sn |
molto scadente |
molto scadente |
buona |
ottima |
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Lega Cu-Sn-Pb |
media |
scadente |
scadente |
buona |
|
Lega Al-Sn |
buona |
buona |
molto scadente |
media |
|
Lega Cu-Pb |
scadente |
media |
ottima |
ottima |
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Ghisa grigia fusa |
molto scadente |
molto scadente |
media |
ottima |
|
Plastiche miste |
ottima |
ottima |
ottima |
- |
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Grafite |
ottima |
media |
ottima |
- |
La capacità di carico e la resistenza all'abrasione del cuscinetto sono direttamente proporzionali alla durezza del materiale con cui è realizzato. Minore è la durezza del materiale del cuscinetto, minore è la sua tendenza a danneggiare la superficie dell'albero e migliore la sua adattabilità, la sua proprietà operativa e la sua assorbenza di particelle dure, in altre parole le sue proprietà straordinarie. È pertanto vera la regola in base alla quale la differenza tra entrambi i componenti della coppia di scorrimento è di massima importanza. Quando si utilizza un materiale per cuscinetti, occorre accertarsi che:
La tabella che segue presenta valori indicativi per le proprietà caratteristiche dei materiali di supporto per cuscinetti radenti.
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Materiale |
Durezza media HB a 20 °C |
Durezza media HB a 100 °C |
Resistenza a trazione [MPa] |
Modulo di elasticità [MPa] |
Temperatura operativa massima ammissibile [°C] |
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Composizione Sn |
26 |
9 |
80 |
48 000 |
110 |
|
Composizione Pb |
22 |
8 |
77 |
30 000 |
100 |
|
Leghe Cu-Sn |
80 |
60 |
250 |
110,000t |
250 |
|
Leghe Cu-Pb |
30 |
25 |
60 |
85 000 |
160 |
|
Leghe Cu-Sn-Pb |
60 |
50 |
300 |
98 000 |
220 |
|
Leghe Al-Sn |
60 |
40 |
400 |
70 000 |
120 |
|
Leghe Al-Sn |
35 |
30 |
150 |
65 000 |
120 |
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Acciaio |
160 |
150 |
550 |
210 000 |
oltre 250 |
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Ghisa |
200 |
190 |
250 |
150 000 |
oltre 250 |
I paragrafi che seguono presentano le proprietà principali, la capacità di carico massimo ed esempi di utilizzo idoneo di alcuni tipi di materiale per cuscinetti.