La scelta di un materiale per un componente per applicazioni ingegneristiche come i cuscinetti in ceramica è dettata da diversi fattori e non solo dalle caratteristiche del materiale.
Occorre considerare i limiti imposti dalla forma del cuscinetto e dal costo, oltre che dalla distribuzione dei carichi e delle tensioni, le tolleranze e altre condizioni al contorno quali:
Le condizioni di funzionamento non sono i soli fattori da tenere in considerazione poiché i materiali ceramici hanno bisogno di particolare attenzione anche nel corso della loro fabbricazione, sia in fase di formatura che di sinterizzazione (o “cottura”).
La forma dei cuscinetti ceramici deve essere studiata alla luce della loro fragilità, particolarmente allo stato cosiddetto “verde” cioè non cotto. Infatti, a causa di tale fragilità, vi sono limitazioni alle forme e dimensioni per i seguenti motivi:
- Effetto concentrazioni di tensioni particolarmente sugli spigoli vivi
- Difficoltà di lavorazione (rettifica, finitura) prima della cottura
La Figura A riassume i fattori progettuali che possono influire sulla sicurezza produttiva dei cuscinetti in ceramica. Nella colonna a sinistra della Figura A, sono descritti tre esempi di design da evitare, dall’alto: fori troppo piccoli, drastici cambi di sezione, spessori troppo piccoli rispetto alle dimensioni generali del cuscinetto in materiale ceramico. A destra sono elencati i rispettivi accorgimenti: dall’ alto verso il basso, fori più larghi, addolcimento dei cambi di sezione, ispessimento delle parti troppo sottili rispetto alle dimensioni dell’oggetto.
Figura A. Accorgimenti progettuali per la sicurezza produttiva. Dall’ alto verso il basso: fori di montaggio di un cuscinetto, cambi di sezione, spessore degli anelli.
Il prodotto formato può subire, oltre alle rotture causate da tensioni termiche, anche distorsioni e deformazioni tali da provocare la rottura. Una delle cause di tali deformazioni è dovuta alla differente densità che si può avere tra punti diversi dello stesso pezzo, come mostrato in Figura B. La densità del materiale ceramico (colorato in giallo) pressato ai lati può risultare notevolmente più bassa rispetto alla densità del materiale in basso, e questo potrebbe provocare delle deformazioni in fase di sinterizzazione.
Figura B. Possibile problema durante la formatura per stampaggio (pressatura unidirezionale).
(ricostruito da R. Morrell, Handbook for the designer, 1985).
Ogni anello del cuscinetto ceramico avanzato è di norma lavorato con macchine utensili per ottenere la precisione dimensionale desiderata, con tutti gli inconvenienti associati alle lavorazioni meccaniche, principalmente introduzione di difetti (vedi articolo su “finitura”).
D’ altra parte, anche se molto costosa, è un’operazione necessaria. Tuttavia, anche in funzione di tale necessità, la forma dell’anello del cuscinetto finale deve essere disegnata seguendo determinate, elementari precauzioni delle quali la Figura A mostra un esempio: spigoli vivi (a sinistra della Figura C) sono da evitare perché possono originare crepe durante la lavorazione di rettifica. È preferibile, come mostrato sulla destra della Figura C, utilizzare smussi o arrotondamenti. In particolare, gli spigoli vivi, per la loro geometria, sono più soggetti agli sbalzi di temperatura delle superfici piane o, comunque, degli spigoli arrotondati.
Figura C. Possibile Problema nella rettifica: smussi o arrotondamenti (a destra), quando necessario sono sempre preferibili rispetto a spigoli vivi (a sinistra).
Per lo stesso motivo (cioè per ridurre il gradiente di temperatura), è utile minimizzare gli spessori degli anelli dei cuscinetti in ceramica che devono essere però tali da assicurare sufficiente resistenza meccanica.
