ANTIFRIZIONE, METALLI

ANTIFRIZIONE, METALLI

. Col nome di metalli antifrizione si distingue nella tecnica una serie di leghe binarie e ternarie, qualche volta quaternarie, nelle quali predominano lo stagno ed il piombo: gli altri costituenti sono, in ordine d'importanza, l'antimonio, il rame e, in più piccole quantità, l'arsenico e l'alluminio. Di recente sono state introdotte leghe di piombo, bario e calcio. Il nome di antifrizione non è esatto, poiché queste leghe hanno effettivamente un coefficiente d'attrito superiore a quello del bronzo, al quale vengono però frequentemente preferite perché dànno, in conseguenza di altre loro caratteristiche, un minor numero di riscaldamenti occasionali.

È stato dimostrato da Reynold che in un cuscinetto perfettamente aggiustato e lubrificato, l'attrito non dipende dalla natura dei metalli in contatto, ma solo da quella del lubrificante. Siccome l'aggiustaggio dei cuscinetti è praticamente sempre imperfetto, si è cercato di costruire i cuscinetti con leghe plastiche capaci di aggiustarsi in modo automatico.

In un primo tempo venne provato il piombo (Hopkins) che, riscontrato troppo molle, fu sostituito con la lega al 10% di antimonio (piombo duro), alla quale poi con successo ancora maggiore fu aggiunto dello stagno. I migliori risultati si ottennero in seguito, quando sir Isaac Babbit sostituì alla totalità del piombo lo stagno ed aggiunse una piccola quantità di rame. Tale lega, che è ancora oggi la migliore, viene distinta dalle altre col nome del suo inventore, metallo Babbit (da cui il termine babbiting "rivestire i cuscinetti con tali leghe"); ostacolo alla sua diffusione è l'elevato prezzo di costo dovuto all'alto tenore di stagno e per tale ragione si preferisce in molti casi l'uso delle leghe a base di piombo o per lo meno di quelle nelle quali il piombo sostituisce una parte dello stagno. Recentemente è stato scoperto che le leghe di piombo, con calcio o bario, dànno risultati soddisfacenti; il loro vantaggio sulle altre deriva soprattutto dal loro basso costo.

È stato mostrato da Rennie che l'attrito fra due corpi aumenta proporzionalmente alla pressione fino ad un carico sotto al quale le due superficie in contatto cominciano a grippare e l'attrito subisce un brusco aumento.

Il carico necessario per produrre tale effetto è più elevato per i metalli duri che per i molli; inoltre il coefficiente di attrito è più piccolo per i primi che per i secondi. I metalli per cuscinetti dovrebbero quindi essere scelti fra i più duri; siccome però l'aggiustaggio non può essere perfetto, gli sforzi si localizzano e si verificano dei riscaldamenti. Perciò il requisito essenziale dei metalli antifrizione deve essere una sufficiente plasticità per adattarsi alle piccole imperfezioni dell'albero.

La combinazione delle due caratteristiche, durezza e plasticità, è fornita appunto dalle leghe cosiddette antifrizione le quali sono costituite da cristalli duri immersi in una matrice plastica; dal numero dei cristalli duri, dalle loro dimensioni e dalla plasticità della matrice dipendono appunto le proprietà del metallo. La durezza dei cristalli deve essere notevole, ma tale da non rigare l'albero; il meglio sarebbe che la loro durezza fosse uguale a quella dell'albero. La matrice deve avere una plasticità tale da non permettere scorrimenti laterali. La conducibilità termica deve essere la più elevata possibile per assicurare la dispersione del calore generato durante il moto; da questo lato le leghe a base di stagno, Babbit, sono le migliori e si differenziano poco dal bronzo. Un buon metallo antifrizione deve avere inoltre la più piccola usura possibile. Una classificazione del gran numero di leghe esistenti, può essere la seguente: 1) leghe a base di stagno senza o con piccole quantità di piombo; 2) leghe a base di piombo con percentuali più o meno grandi di stagno; 3) leghe di piombo e metalli alcalini terrosi.

Leghe a base di stagno. - Sono, come si è detto, le migliori, ma anche le più costose in conseguenza del loro alto tenore di stagno. I metalli in lega con lo stagno sono l'antimonio e il rame, mentre il piomho è presente solo come impurezza.

Il sistema stagno-antimonio-rame è stato studiato di recente da Hudson nella zona interessante metalli bianchi e più recentemente da Bonsack il quale ha determinato i varî costituenti.

Nelle leghe ad alto tenore di stagno il 7% dell'antimonio presente è in soluzione solida (costituente δ) e l'eccesso è separato come cristalli di SbSn (γ); il rame è tutto separato come cristalli di CuSn (ε) e forma con il costituente (δ) un eutectico del tutto analogo a quello con stagno puro del sistema Sn = Cu.

La solidificazione della lega Babbit, 8-9% di antimonio e 2-3% di rame, avviene nel modo seguente.

Prima si separa il costituente ε sotto forma di aghi, con poca tendenza a segregare, quindi al secondo arresto i cuboidi di γ tenuti in posto dallo scheletro preformato di ε; in assenza di rame i cristalli di γ si segregano con facilità in conseguenza del loro basso peso specifico.

Le dimensioni dei cristalli γ sono determinate dalla velocità di raffreddamento, la quale è funzione della temperatura della staffa o conchiglia ed in minor grado di quella di colata come ben mostra la fig. 1, a e b. Una temperatura di colata superiore a 300° influisce sulla disposizione dei cristalli ε che appaiono disposti in forme angolari (fig. 1, c), mentre sotto 300° i cristalli appaiono disposti prevalentemente in forma stellare (fig. 1, d).

La struttura a forma prevalentemente stellare, caratteristica del metallo colato a temperatura esatta si ottiene anche agitando energicamente il metallo stesso e rompendo così le strutture che si formano a temperatura elevata. La fig. 1, e mostra l'aspetto della lega colata a 500° e vigorosamente agitata prima della solidificazione; come si vede, le grandi strutture angolari sono state completamente distrutte.

Behrens e Baucke hanno mostrato che le dimensioni dei cuboidi di stagno e antimonio dei metalli che dànno i migliori risultati si aggirano intorno a 0,25 mm. Tah dimensioni si ottengono nella pratica colando nella forma scaldata a circa 100°.

Leghe a base di piombo-stagno. - Il sistema piombo, stagno, antimonio è stato studiato da Loebe e più recentemente da W. Campbell e da W. Ellis con particolare riguardo alle leghe di carattere industriale. I diagrammi binarî stagno-antimonio e piombo-antimonio e quello ternario sono mostrati dalle figg. 2, 3, 4.

Le leghe d'importanza industriale hanno tutte meno deI 15% di antimonio e perciò sono comprese al disotto della linea M N.

La lega che sembra dia i migliori risultati (A) contiene:

La costituzione metallografica è analoga a quella delle leghe a base di stagno; si hanno anche in questo caso cristalli del composto SnSb immersi in una matrice eutectica.

Le dimensioni dei cuboidi dipendono anche per questa lega dalla velocità di raffreddamento, che è determinata dalla temperatura della forma più che da quella di colata, mentre il carattere degli aggruppamenti cristallini dipende essenzialmente dalla temperatura di colata (fig. 1).

Quando a tali leghe si aggiunge il rame, nella proporzione da 1 a 2%, se la lega è colata a 300° si ottengono i soliti cuboidi di SnSb, se invece la colata è fatta a temperatura superiore scompaiono i cuboidi e si manifesta un nuovo costituente aghiforme violetto, Cu₂Sb (regolo di Venere).

Leghe piombo-metalli alcalini terrosi. - Queste leghe sono state provate durante la guerra in conseguenza della mancanza di stagno.

La costituzione delle leghe binarie di piombo-calcio e piombo-bario ricche di piombo è stata studiata da N. Baar e L. Donski (figg. 5 e 6) e più recentemente da I. Czochralski.

Il piombo e il calcio dànno un composto Pb₃Ca, e le leghe risultano costituite da cristalli chiari di tale composto immersi nella matrice di piombo.

Il piombo forma anche col bario un composto analogo a quello del calcio, Pb₃Ba, e con tale composto un eutectico corrispondente a circa 4,25% di bario.

La lega per cuscinetti denominata in America Frary metal Cowan contiene 97,5% di piombo ed il resto è suddiviso fra calcio, bario e piccole quantità di altri metalli.

L'aspetto metallografico di tali leghe allo stato normale e dopo surriscaldamento è mostrato dalle figure 7 e 8.

Proprietà meccaniche. - I saggi principali ai quali possono essere sottoposti i metalli antifrizione sono:

Le prime caratteristiche sono difficili da determinare, causa l'enorme influenza che la lubrificazione ha su di esse; infatti come è stato accennato, se la lubrificazione divenisse perfetta la resistenza di attrito dipenderebbe solo dalla natura del lubrificante stesso. Le due tabelle mostrano il confronto fra i varî metodi di lubrificazione e il diverso tipo di olio.

Inoltre la viscosità del lubrificante cambia notevolmente con la temperatura, e questo costituisce un'altra causa di notevole errore.

Nella prova pratica dei metalli da cuscinetti, mediante un'apposita macchina, un mezzo cuscinetto è tenuto pressato contro un albero ruotante; si misurano le pressioni, la velocità di scorrimento e la temperatura del cuscinetto. Queste caratteristiche dànno un'idea del comportamento in opera delle varie specie di metalli per cuscinetti. Una serie di tali misure eseguita di recente è contenuta nella tabella I.

Prove diverse sono state eseguite da Beauchamp e Tower, Iakemann, Goodman, Whittemore, Charpy, Czochralski, e dall'A.S.T.M; quest'ultima fornisce anche dettagliati metodi standard per l'analisi.

Siccome, per le ragioni suddette, le misure delle varie caratteristiche sono lunghe e d'incerto significato, si è tentato di collegarle con i saggi meccanici ordinarî, in particolare con i saggi di resistenza alla compressione e alla durezza (Brinell Smith-Humpfries).

Secondo Lynch lo schiacciamento sotto urti ripetuti è la prova che meglio concorda con il comportamento in opera dei metalli.

La durezza Brinell media dei principali tipi di metalli antifrizione è secondo Czochralski la seguente.

Con l'innalzarsi della temperatura la durezza e la resistenza alla compressione diminuiscono in misura diversa nei varî metalli come si vede dai diagrammi (figg. 7 e 9).

Un confronto fra il metallo al piombo tipo Frary e varie leghe antifrizione è contenuto nella tabella seguente:

Nella tabella II (a p. 488) sono riportati i valori delle principali leghe ternarie e quaternarie alle quali possono riferirsi la maggior parte di quelle oggi in commercio.

Tecnica della fusione. - È di grandissima importanza la temperatura di colata che deve aggirarsi per i metalli bianchi fra 300° e 400° e per il metallo al piombo-bario fra 400° e 450°.

Un soprariscaldamento può portare alla formazione di ossido di stagno, che rimane incluso nel metallo, ed a perdite per ossidazione dell'antimonio e del bario. Analogo effetto ha un prolungato riscaldamento, in particolare se il metallo non è stato protetto opportunamente come è mostrato nel diagramma della fig. 9.

Alla fusione può aggiungersi rottame di vecchio metallo avendo però cura che l'aggiunta non oltrepassi il 20-30% e solo il 10% se si tratta di tornitura. Occorre durante la fusione proteggere la lega dall'ossidazione con uno strato di carbone di legna ben secco, in particolar modo la lega piombo-bario.

Sono assolutamente da evitare inquinamenti con metalli estranei e in particolare, per la lega piombo-bario, lo zinco e l'antimonio che portano alla decomposizione della lega stessa.

Gli alloggi nei quali è colato il metallo bianco devono essere accuratamente puliti con acido solforico o fluoridrico, e perfettamente stagnati. Prima della colata vanno scaldati a circa 100° assieme ai mandrini, allo scopo di ottenere la migliore struttura.

La fig. 10 mostra un tipo di forno a gas per la fusione dei metalli antifrizione.

Bibl.: Hague, in Engineering, giugno 1910; Lynch, in A. S. T. M., 1913; Law, Alloys, Londra 1919; Hudson, in Inst. of Met., 1920; Jakemann, in Annual Report National Phys. Lab., 1921; R. G. Batson e J. H. Hyde, Mechanical Testing, Londra 1022; Bousack, in Zeitschr. Metallkunde, 1927 e Inst. of Met., 1927; W. Ellis, in Inst. of Met., 1925 e 1927.