L’indagine su un cuscinetto a sfere (dichiarato FAG 6328 MC3) è stata eseguita con l’obiettivo di determinare le cause che hanno portato alla rottura del cuscinetto e al conseguente arresto del generatore.
Le parti che sono state fornite sono costituiti da una ralla esterna, tagliata in due parti, la ralla interna in due parti e da una gabbia con n. 8 sfere (fig. 1).
I tre elementi sono stati sottoposti a una analisi chimica del materiale, l’esame visivo, macrografica e micrografico ed un‘analisi delle durezze.

I materiali sono stati sottoposti ad una serie di analisi al fine di determinarne le caratteristiche:

Il materiale dei tre elementi è identificabile come 100CrMnSi6-4 EN ISO 683-17.
Il materiale è un tipico acciaio da cuscinetto a tutta tempra.

L’analisi metallografica e delle durezze ha dato i seguenti risultati:

• La ralla esterna ha una struttura martensitica rinvenuta ben evidente dalla fig. 4.

• I valori delle durezze sono risultati di 720 HV pari a circa 62 HRC.

Il materiale presenta quindi un trattamento di tempra (sul diagramma CCT indicato con la freccia blu) e un rinvenimento, individuato dalle tabelle di rinvenimento del materiale a circa 170°C con freccia blu;

• La sfera ha una struttura bainitica vedi fig.5;

• Le durezze misurate sono circa 450 HV, circa 45 HRC

Il materiale presenta quindi una struttura di tempra insufficiente rispetto ai valori richiesti.

• La ralla interna ha una struttura perlitica come evidente in fig. 6,

• I valori delle durezze misurate sono circa 380 HV, pari a 39 HRC.

Il materiale si presenta allo stato tal quale o con una tempra non sufficientemente rapida.

Dei tre elementi analizzati la sola ralla esterna ha le caratteristiche richieste per il corretto funzionamento del cuscinetto, con una struttura martensitica e durezze superiori a 60 HRC.

L’esame visivo è stato eseguito sui tre elementi dopo pulizia a ultrasuoni.
La pista di rotolamento della ralla esterna non presenta indicazioni degne di nota, a parte una striscia scura conseguente allo strisciamento delle sfere (Fig. 10).
La superficie delle sfere si presenta particolarmente rugosa, a causa dell’usura da rotolamento (fig. 12).
La ralla interna presenta invece danni su diverse zone, in particolare la superficie interna mostra vistose rigature dovute allo strisciamento dell’albero (fig.9).

Particolarmente rilevanti sono i danni presenti alla superficie di rotolamento della ralla interna.
La superficie interna si presenta quasi completamente usurata e con segni di un elevato surriscaldamento, (vedi esame al SEM in Fig. 11) fino alla parziale fusione del materiale di superficie (freccia rossa).

L’analisi di una sezione di una sfera evidenzia una zona termicamente alterata a causa dello strisciamento e bloccaggio della sfera sulla ralla interna. La zona scura della sfera (fig. 13) è quella che, a sfera ormai bloccata, ha strisciato sulla pista raggiungendo elevate temperature, con la conseguente modifica della struttura metallografica e del valore delle durezze.
Sulla superficie interna della ralla sono presenti le impronte delle sfere (fig. 7).

In base ai risultati delle analisi precedenti si può definire la dinamica dell’evento che ha portato alla rottura del cuscinetto.
Le basse durezze superficiali della ralla interna, a causa di una tempra incompleta, hanno determinato una rapida usura della pista di rotolamento.
Aumentando la rugosità della superficie di rotolamento è aumentata anche la temperatura della pista interna; confermata dalle modifiche strutturali della superficie della pista (evidenziato dall’ingrossamento dei grani).
L’usura e l’aumento di temperatura sono proseguiti sino a determinare il blocco del cuscinetto, conseguentemente le sfere hanno strisciato sulla ralla interna, come confermato dalla modifica della struttura rilevata su una parte della sfera.
La ralla esterna è stata solo in minima parte coinvolta per l’elevate durezze superficiali che ne hanno impedito l’usura. Questo esclude problemi di lubrificazione o corpi estranei, perché altrimenti anche la ralla esterna sarebbe stata coinvolta.
Quindi l’albero ha ruotato con il cuscinetto fermo, la superficie interna al cuscinetto si è rigata, le sfere hanno quindi deformato la ralla interna, (l’elevata temperatura a causa del rotolamento e sfregamento delle sfere e poi dello strisciamento dell’albero e supporto laterale ne hanno abbassato di molto la resistenza permettendo la deformazione plastica del metallo).

In base ai risultati dell’analisi eseguite sui componenti del cuscinetto la causa della rottura è dovuta alla non corretta tempra della ralla interna che ha determinato un rapida usura della pista di rotolamento fino al blocco del cuscinetto.