Immaginate una macchina per impieghi gravosi fermata da un guasto al cambio: le perdite economiche risultanti potrebbero raggiungere milioni. Essendo il componente principale dei sistemi meccanici, le prestazioni, l'efficienza e la durata di un cambio dipendono in larga misura dai materiali scelti per la sua costruzione. La selezione di materiali appropriati per il cambio non serve solo a garantire un funzionamento affidabile, ma è fondamentale per ridurre i costi di manutenzione e migliorare l'efficienza della produzione. Questo articolo esplora la selezione dei materiali per vari componenti del cambio per aiutare a raggiungere l'equilibrio ottimale tra prestazioni, longevità e costi.

Le scelte dei materiali hanno un impatto diretto sulla durata, sulle prestazioni, sui requisiti di manutenzione e sulla struttura dei costi complessivi di un cambio:

• Durata: I cambi operano tipicamente in condizioni di carico elevato e sollecitazioni elevate. I materiali durevoli resistono all'usura e prolungano la durata.
• Prestazioni: L'efficienza della trasmissione di potenza dipende dalle proprietà dei materiali di ingranaggi e alloggiamenti.
• Manutenzione: I materiali resistenti alla corrosione e all'usura riducono la frequenza della manutenzione e le esigenze di sostituzione.
• Costo: La selezione dei materiali influisce sui costi totali di proprietà, richiedendo un attento equilibrio tra l'investimento iniziale e i risparmi a lungo termine.

I cambi sono costituiti da diversi componenti chiave - ingranaggi, cuscinetti, alloggiamenti e alberi - ciascuno dei quali richiede materiali specifici adatti alle proprie esigenze funzionali e alle condizioni operative.

Come elementi principali della trasmissione di potenza, i materiali degli ingranaggi devono dimostrare elevata resistenza, durezza e resistenza all'usura.

• Acciaio: Il materiale per ingranaggi più comune. Gli acciai al carbonio, gli acciai legati e gli acciai inossidabili offrono eccezionale resistenza e durata. Gli acciai cementati come il 20MnCr5 sono particolarmente apprezzati per le loro superfici esterne dure e i nuclei tenaci.
• Ghisa: Offre una buona lavorabilità e resistenza all'usura per applicazioni a bassa velocità, sebbene non sia adatta per ambienti ad alta sollecitazione.
• Ottone e bronzo: Utilizzati in applicazioni a basso attrito come le viti senza fine, offrono un'eccellente resistenza all'usura e proprietà autolubrificanti.
• Plastica: Le materie plastiche tecniche (nylon, acetal) servono in applicazioni a basso carico e bassa velocità in cui la costruzione leggera e la riduzione del rumore sono prioritarie.

La versatilità e le prestazioni superiori dell'acciaio lo rendono la scelta preferita per la produzione di cambi:

• Acciaio al carbonio: Con un contenuto di carbonio fino al 2%, questi acciai bilanciano bene resistenza e tenacità, adatti per ingranaggi e alberi moderatamente sollecitati.
• Acciaio legato: Gli additivi di cromo, molibdeno e nichel migliorano significativamente la durezza, la tenacità e la resistenza alla corrosione. I gradi comuni come 4140 e 4340 sono adatti per applicazioni ad alta sollecitazione.
• Acciaio inossidabile: Contiene ≥10,5% di cromo per un'eccellente resistenza alla corrosione. I gradi come 17-4PH e 304 sono utilizzati in ambienti umidi o chimicamente esposti.

Questi componenti supportano gli alberi rotanti riducendo al minimo l'attrito tra le parti in movimento, richiedendo materiali in grado di resistere a carichi pesanti garantendo al contempo un funzionamento regolare.

• Acciaio al cromo: Il materiale per cuscinetti più comune, che offre elevata durezza, resistenza all'usura e durata a fatica.
• Acciaio inossidabile: Utilizzato dove la resistenza alla corrosione è fondamentale, sebbene con una durezza leggermente inferiore rispetto all'acciaio al cromo.
• Ceramica: I cuscinetti ibridi con sfere in ceramica offrono capacità ad alta velocità, basso attrito ed eccezionale resistenza all'usura per applicazioni prestazionali.

Gli alloggiamenti del cambio racchiudono i componenti fornendo protezione e supporto strutturale, richiedendo materiali che combinino robustezza e resistenza agli urti.

• Ghisa: Ampiamente utilizzata per la sua resistenza, lavorabilità e proprietà di smorzamento delle vibrazioni.
• Alluminio: Leggero e resistente alla corrosione, ideale dove la riduzione del peso è fondamentale.
• Acciaio: Offre resistenza e durata superiori per applicazioni per impieghi gravosi.

Trasmettendo la potenza dai cambi ad altri componenti, gli alberi richiedono materiali robusti, tenaci e resistenti alle sollecitazioni torsionali.

• Acciaio legato: Comunemente utilizzato per la sua elevata resistenza, tenacità e resistenza alla fatica.
• Acciaio inossidabile: Scelto per la resistenza alla corrosione in ambienti difficili.
• Acciaio al carbonio: Fornisce una combinazione equilibrata di resistenza, tenacità ed economicità.

Oltre ai materiali primari, molti altri servono a scopi speciali:

• Varietà di ghisa:
  • Ghisa grigia: contiene scaglie di grafite per un'eccellente resistenza all'usura e smorzamento delle vibrazioni.
  • Ghisa duttile: offre maggiore duttilità e resistenza agli urti rispetto alla ghisa grigia.
• Ottone e bronzo:
  • Ottone (lega di rame-zinco): utilizzato in viti senza fine e applicazioni a basso attrito.
  • Bronzo (lega di rame-stagno): offre una resistenza all'usura e una resistenza superiori per cuscinetti e ingranaggi ad alto carico.
• Materie plastiche tecniche:
  • Nylon: combina resistenza, tenacità e resistenza all'usura per ingranaggi e cuscinetti.
  • Acetal: noto per il basso attrito e la stabilità dimensionale nei componenti di precisione.

Diversi fattori critici guidano le scelte dei materiali:

1. Capacità di carico: I materiali devono resistere ai carichi operativi senza deformazioni o guasti.
2. Resistenza all'usura: Un'elevata resistenza prolunga la durata.
3. Resistenza alla corrosione: Gli acciai inossidabili o i rivestimenti prevengono il degrado in ambienti difficili.
4. Proprietà termiche: I materiali devono funzionare in modo affidabile in tutti gli intervalli di temperatura.
5. Lavorabilità: Influisce sulla fabbricabilità, soprattutto per le geometrie complesse degli ingranaggi.
6. Costo: Richiede di bilanciare le esigenze di prestazione con i vincoli di budget.

I progressi nella scienza dei materiali continuano a trasformare la tecnologia dei cambi:

• Materiali compositi: Combinazione di resistenze dei materiali (ad esempio, compositi metallo-plastica che fondono la resistenza del metallo con le proprietà leggere della plastica).
• Trattamenti superficiali: Tecniche come nitrurazione, cementazione e rivestimenti PVD migliorano la durezza superficiale e la resistenza all'usura senza compromettere le proprietà del materiale del nucleo.
• Produzione additiva: La stampa 3D consente geometrie complesse degli ingranaggi con proprietà dei materiali personalizzate.

I requisiti specifici del settore dettano le scelte dei materiali:

Deve resistere a carichi elevati garantendo al contempo un funzionamento regolare e resistenza all'usura.

• Ingranaggi: tipicamente cementati (20MnCr5) o acciai legati (4140)
• Cuscinetti: acciaio al cromo o ceramica ibrida per il funzionamento ad alta velocità
• Alloggiamenti: alluminio per la riduzione del peso, ghisa per i veicoli pesanti
• Alberi: acciai legati ad alta resistenza (4340)

Servono ambienti diversi, dai sistemi di trasporto a turbine eoliche.

• Ingranaggi: acciai legati ad alta resistenza e cementati
• Cuscinetti: acciaio inossidabile per la resistenza alla corrosione o acciaio al cromo per carichi pesanti
• Alloggiamenti: ghisa per resistenza e smorzamento delle vibrazioni
• Alberi: acciai legati ad alta resistenza per capacità di carico elevata

Richiedono un'eccezionale resistenza alla corrosione e durata.

• Ingranaggi: acciaio inossidabile o bronzo
• Cuscinetti: acciaio inossidabile o ceramica per resistere all'acqua di mare
• Alloggiamenti: alluminio di grado marino o acciaio inossidabile
• Alberi: acciaio inossidabile resistente alla corrosione