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Famiglie di acciai

# Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente

Scopri in che modo l’acciaio, le inclusioni, il trattamento termico, la lubrificazione e la contaminazione influenzano la durata a fatica dei cuscinetti.

![Ritratto di Anders Bergström, giornalista del settore siderurgico](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/it/notizie/autore/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Famiglie di acciai 60+ min di lettura Aggiornato 14 ago 2026 Verificato scientificamente

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## A cosa devono resistere gli acciai per cuscinetti

### Contatto volvente anziché semplice usura per scorrimento

Una pista di rotolamento di un cuscinetto non deve semplicemente sostenere un carico di compressione statico. Un elemento volvente entra ed esce ripetutamente dal contatto con l’anello interno, l’anello esterno o entrambi, mentre la zona di contatto attraversa l’acciaio a ogni rivoluzione. Il carico è concentrato su una piccola area curva, quindi la pressione locale è elevata anche quando il carico applicato esternamente al cuscinetto appare modesto. Il contatto è prevalentemente elastico: la pista di rotolamento e l’elemento volvente si deformano leggermente sotto carico, formano un’area di contatto hertziana e recuperano la propria forma quando il contatto si allontana.

Questo carico elastico ripetuto distingue il servizio con contatto volvente dalla semplice usura per scorrimento. L’usura per scorrimento è governata principalmente dal moto relativo all’interfaccia, dall’attrito, dall’adesione, dall’abrasione e dalla rimozione di materiale superficiale. Un cuscinetto volvente può presentare un ridotto scorrimento macroscopico e tuttavia cedere per fatica al di sotto della superficie visibile. Un certo scorrimento si verifica comunque, soprattutto a causa di rotazione, inclinazione, curvatura differenziale o cinematica inadeguata, ma si sovrappone al contatto concentrato ripetuto, anziché sostituirlo.

Anche la distribuzione del carico tra la pista di rotolamento e l’elemento volvente è disuniforme. La geometria del cuscinetto, il gioco interno, il disallineamento, la deformazione degli anelli e la direzione del carico determinano quali elementi sopportano le forze maggiori. L’analisi di SKF della geometria del contatto e della distribuzione del carico colloca quindi il calcolo delle sollecitazioni accanto alla condizione del materiale e alla lubrificazione. Un cuscinetto nominalmente identico può sviluppare sollecitazioni locali molto diverse se il montaggio, la flessione dell’albero, la distorsione dell’alloggiamento o la contaminazione modificano la distribuzione del carico.

#### Termini relativi al danneggiamento

Usura

Rimozione o spostamento di materiale dovuto all’interazione superficiale.

Deformazione plastica

Impronte, rilievi o regioni appiattite permanenti che si formano quando la pressione locale supera la resistenza allo snervamento.

Micropitting

Piccole cavità da fatica superficiale associate alla rugosità, a un film lubrificante insufficiente e alle sollecitazioni sulle asperità.

Fatica da contatto volvente

Innesco e propagazione progressivi delle cricche sotto sollecitazioni volventi ripetute, spesso seguiti da sfaldamento.

Diversi termini relativi al danneggiamento non devono essere trattati come sinonimi. L’usura rimuove o sposta materiale attraverso l’interazione superficiale. La deformazione plastica produce ammaccature, creste o zone permanentemente appiattite quando la pressione di contatto supera la resistenza locale allo snervamento, spesso dopo il passaggio di detriti attraverso il contatto. Il micropitting consiste in piccolissime cavità superficiali dovute alla fatica, associate alla rugosità, all’insufficienza del film lubrificante e alle sollecitazioni locali delle asperità. La fatica da contatto volvente è l’innesco e la crescita progressivi di cricche sotto l’azione di sollecitazioni volventi ripetute; può iniziare al di sotto della superficie e successivamente produrre uno sfaldamento sulla pista di rotolamento.

#### Nota sull’ispezione

Una pista di rotolamento lucidata o apparentemente non danneggiata può comunque contenere cricche sotto-superficiali, inclusioni o danni microstrutturali.

Un’ammaccatura causata da una particella dura non è quindi lo stesso fenomeno di uno sfaldamento dovuto alla fatica, anche se l’ammaccatura può diventare un concentratore di tensione e accelerare quest’ultimo. Analogamente, una pista di rotolamento dall’aspetto lucido può contenere comunque danni sottosuperficiali. Il solo aspetto della superficie non consente di stabilire quanta vita a fatica rimanga.

Secondo NTN, l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio è un materiale standard per gli elementi volventi e le piste di rotolamento. Una designazione comune è AISI 52100, che nella pratica europea degli [acciai per cuscinetti](/it/categorie/acciai-per-cuscinetti "acciai per cuscinetti") corrisponde generalmente a 100Cr6. La designazione identifica una composizione chimica e una classe di prodotto; non garantisce però identici livelli di pulizia, distribuzione dei carburi, trattamento termico, tensioni residue o durata di esercizio.

### Sollecitazioni sottosuperficiali e fatica del materiale

![Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente](/images/uploads/32528b02-2255-4251-bf4c-90c835651e26/wiki-inline-a-ball-rolling-across-a-steel-bearing-raceway-with-the-subsurface-shear-stress-z-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/32528b02-2255-4251-bf4c-90c835651e26/wiki-inline-a-ball-rolling-across-a-steel-bearing-raceway-with-the-subsurface-shear-stress-z-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente")The highest cyclic shear stress commonly occurs below the raceway surface.

Quando un contatto elastico passa sulla pista di rotolamento, la massima sollecitazione di taglio si trova generalmente al di sotto della superficie, non esattamente su di essa. Ogni volume di materiale subisce una sequenza di compressione, taglio e inversione della sollecitazione mentre l’elemento volvente si avvicina, passa sopra di esso e si allontana. La ripetizione può innescare una cricca in corrispondenza di un’inclusione non metallica, di un agglomerato di carburi, di un poro, di un difetto superficiale o di una zona con microstruttura sfavorevole. La cricca può crescere verso la superficie fino al distacco di un frammento, producendo una scagliatura o uno sfaldamento.

La sola durezza è un indicatore incompleto della durata a fatica da contatto volvente. Strong evidence

 \[1\] \[1\] [**Bearing Steels**](https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560). NASA. NASA Technical Reports Server, 1987.Per questo motivo, la durezza da sola è un indicatore poco affidabile. Una durezza maggiore può migliorare la resistenza all’impronta plastica e contribuire a un’elevata capacità di carico, ma non descrive le dimensioni e la spaziatura delle inclusioni, la morfologia dei carburi, l’austenite residua, la dimensione dei grani di austenite preesistente, le tensioni residue o la tenacità disponibile per contrastare la crescita delle cricche. Nel 1987 NASA ha riferito che la durezza dell’acciaio per cuscinetti, l’austenite residua, la dimensione dei grani e le dimensioni, il numero e l’area dei carburi influenzano tutti la vita a fatica degli elementi volventi. I suoi risultati indicano inoltre che il processo produttivo, inclusa la fusione sotto doppio vuoto, può influenzare la durata più fortemente della sola composizione chimica.

Principali architetture degli acciai per cuscinetti e relativi ruoli portanti previsti.
| Architetture dell’acciaio | Profilo di durezza | Condizione del cuore | Scopo tipico della progettazione |
|---|---|---|---|
| Martensitico temprato in profondità | Duro attraverso la sezione di lavoro | Sezione prevalentemente temprata | Elevata resistenza alle sollecitazioni ripetute di contatto |
| Bainitico temprato in profondità | Duro attraverso la sezione di lavoro | Struttura di lavoro bainitica | Durezza, tenacità e stabilità dimensionale |
| Temprato superficialmente | Strato superficiale duro | Cuore più morbido e tenace | Resistenza alla fatica superficiale con tolleranza agli urti |

La rassegna del 2011 *Steels for bearings* distingue le principali famiglie di materiali in acciai martensitici o bainitici temprati a cuore e acciai cementati, che presentano uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenero. Queste architetture distribuiscono le sollecitazioni in modo diverso. Gli acciai temprati a cuore offrono un’elevata durezza lungo tutta la sezione di lavoro; gli acciai cementati possono combinare una superficie resistente alla fatica con un nucleo più tenace, in grado di sopportare le sollecitazioni sottosuperficiali e gli urti. Nessuna delle due configurazioni elimina la necessità di un’adeguata pulizia dell’acciaio e di un trattamento termico appropriato.

La trattazione degli acciai per cuscinetti nell’ASM Handbook del 2014 esprime il concetto in modo diretto: una volta ottenuta una microstruttura adeguata, la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche dannose costituiscono il fattore singolo più importante per ottenere una lunga vita a fatica da contatto volvente. Un’inclusione agisce come una discontinuità locale di rigidezza e come un concentratore di tensione. Il suo effetto dipende da dimensioni, forma, posizione, orientamento e distanza dalla regione sottoposta alla massima sollecitazione. Due componenti prodotti secondo la stessa designazione di grado possono quindi presentare vite a fatica diverse se differisce la loro popolazione di inclusioni.

ASTM STP 1327 colloca questo problema nel più ampio contesto tecnico della durata dei cuscinetti, della fatica da contatto volvente, della produzione dell’acciaio, della tempra a cuore, della cementazione, degli acciai aerospaziali, degli acciai resistenti alla corrosione e della modifica superficiale. Il grado del materiale è importante. Non costituisce però il modello completo della fatica.

### Perché un cuscinetto è un sistema integrato di materiale e lubrificazione

La lubrificazione modifica le sollecitazioni applicate al contatto. Un film elastoidrodinamico sufficientemente spesso separa la maggior parte delle asperità contrapposte e distribuisce il carico su una regione di contatto effettiva più ampia. Se il film diventa troppo sottile a causa di bassa viscosità, temperatura elevata, alimentazione insufficiente, rugosità superficiale o velocità e carico eccessivi, le interazioni tra le asperità aggiungono attrito e sollecitazioni locali. SKF considera pertanto la lubrificazione, la contaminazione, la geometria del contatto, la distribuzione del carico e i concentratori di tensione come componenti interconnesse della valutazione della fatica, anziché come temi di manutenzione separati. \[2\] \[2\] [**Effects of Water Contamination on Micropitting and Rolling Contact Fatigue of Bearing Steels**](https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels). U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information. OSTI, 2024.

La contaminazione può danneggiare il sistema in due modi. Una particella dura può imprimere un’ammaccatura sulla pista di rotolamento, creando un difetto geometrico permanente che interrompe ripetutamente il contatto. L’acqua può modificare il comportamento del lubrificante, favorire la corrosione o fenomeni associati all’idrogeno e alterare le condizioni di innesco delle cricche. Un lavoro sperimentale riportato dal U.S. Department of Energy nel 2024 ha rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava il micropitting e la formazione di cricche dovute alla fatica da contatto volvente, risultando associata alla presenza di materia bianca da attacco chimico alle interfacce delle cricche. Un acciaio pulito sottoposto a un controllo inadeguato del lubrificante non opera nelle condizioni implicate dalla propria specifica del materiale.

I calcoli della durata dei cuscinetti richiedono inoltre una definizione statistica precisa. La norma ISO 281:2007 specifica i metodi per i coefficienti di carico dinamico e per la durata nominale di base dei cuscinetti volventi fabbricati con acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; BS ISO 281:2007 ne costituisce l’adozione britannica. La sua durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%. Schaeffler definisce L10 come il numero di rivoluzioni raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima che compaiano le prime indicazioni di fatica del materiale. Anche JTEKT descrive il coefficiente di carico dinamico di base come la capacità di resistenza alla fatica da rotolamento e L10 come la durata con affidabilità del 90% per cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti.

Questo valore non costituisce una promessa che ogni cuscinetto funzionerà fino allo stesso numero di rivoluzioni e non descrive ogni modalità di cedimento. I calcoli della durata corretta introducono fattori relativi a lubrificazione, contaminazione, affidabilità e carico al limite di fatica. Il danneggiamento delle tenute, l’erosione elettrica, il falso brinelling, la corrosione, gli errori di montaggio e il sovraccarico possono porre fine al servizio prima che si manifesti la classica fatica sottosuperficiale.

Ne consegue il principio ingegneristico centrale: una designazione di grado può stabilire una categoria iniziale del materiale, ma non può prevedere da sola la durata di esercizio. La fatica da contatto volvente è la risposta di un sistema integrato — produzione dell’acciaio, microstruttura, trattamento termico, geometria, distribuzione del carico, lubrificazione, contaminazione e storia operativa — osservata attraverso una definizione statistica della durata del cuscinetto.

## Come la norma ISO 281 definisce la durata dei cuscinetti

La norma ISO 281:2007 è uno standard di calcolo per i cuscinetti volventi, non una promessa che un singolo cuscinetto funzionerà per un numero specifico di ore. La sua adozione britannica, BS ISO 281:2007, svolge lo stesso ruolo. La norma fornisce metodi per calcolare la capacità di carico dinamico e la durata nominale dei cuscinetti realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità o in materiali equivalenti, in condizioni operative definite.

#### Non considerare L10 come una scadenza di servizio

La durata nominale ISO 281 descrive una popolazione statistica. Contaminazione, cedimento della lubrificazione, danni di montaggio, erosione elettrica, sovraccarico o un’inclusione possono causare il cedimento di un singolo cuscinetto in anticipo.

Questa distinzione è importante perché la durata calcolata viene spesso presentata come se fosse una garanzia del materiale. Non lo è. Un cuscinetto può guastarsi prima di raggiungere la durata calcolata a causa di contaminazione, lubrificazione insufficiente, danni di montaggio, erosione elettrica, disallineamento eccessivo, variabilità di produzione o di un’inclusione che diventa l’origine di una cricca di fatica. Può anche funzionare molto oltre il valore calcolato. La norma ISO 281 descrive una popolazione statistica, non la durata certa di esercizio di un singolo anello e di un singolo insieme di corpi volventi.

Il calcolo collega quindi la capacità del materiale con il carico di contatto e le condizioni operative. La pulizia dell’acciaio, la microstruttura, le tensioni residue, l’austenite trattenuta, la morfologia dei carburi e la condizione superficiale determinano una parte di tale capacità; la geometria di contatto, la distribuzione del carico, il film lubrificante e i contaminanti determinano quanta di essa sia disponibile durante il servizio.

### Capacità di carico dinamico e durata nominale di base

Coefficiente di carico dinamico di base **Coefficiente di carico dinamico di base** Misura calcolata della capacità di un cuscinetto di resistere alla fatica da contatto volvente nelle condizioni definite dal metodo di valutazione; non corrisponde al carico statico massimo.

La capacità di carico dinamico di base, normalmente indicata con **C**, è una misura calcolata della capacità di un cuscinetto di resistere alla fatica da contatto volvente. Non è il carico massimo che il cuscinetto può sopportare senza deformarsi, né è un semplice valore della resistenza a trazione dell’acciaio. Nel quadro della norma ISO, C è correlata al carico costante e alla direzione costante che un gruppo di cuscinetti apparentemente identici può sopportare per una durata nominale di base pari a un milione di giri.

Carico dinamico equivalente **Carico dinamico equivalente** Carico calcolato, comunemente indicato con P, che combina i carichi radiali e assiali pertinenti nell’equazione della durata del cuscinetto.

Il carico applicato viene convertito in un carico dinamico equivalente specifico per il cuscinetto, generalmente indicato con **P**, in modo da poter valutare congiuntamente le componenti radiali e assiali. Per un cuscinetto soggetto prevalentemente a fatica da contatto volvente, la relazione della durata nominale di base è comunemente espressa come:

L10=(CP)p

dove L10 è espresso in milioni di giri e p dipende dal tipo di corpo volvente: p=3 per i cuscinetti a sfere e p=10/3 per i cuscinetti a rulli nella relazione standard della durata. I cataloghi dei produttori applicano le equazioni ISO appropriate, i fattori di carico e la geometria interna ai singoli modelli di cuscinetto.

Esponente o valore di riferimento

La relazione di durata ISO utilizza p = 3 per i cuscinetti a sfere, p = 10/3 per i cuscinetti a rulli e definisce il riferimento del coefficiente di carico dinamico di base a un milione di giri.

L’esponente rende particolarmente importante il controllo del carico. Un aumento moderato del carico equivalente può produrre una riduzione molto più ampia della durata calcolata, anche se la composizione chimica dell’acciaio e la durezza nominale non sono cambiate. Al contrario, l’aumento della durezza non produce automaticamente un incremento corrispondente della durata se un cuscinetto contiene inclusioni non metalliche dannose o funziona con un film lubrificante danneggiato. \[3\] \[3\] [**Bearing Steels**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext). ASM International. ASM Handbook, 2014.

Per questo motivo l’acciaio per cuscinetti non può essere valutato sulla base della sola durezza. L’ASM Handbook del 2014 identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche dannose come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. La rassegna del 2011 *Steels for bearings* distingue le principali famiglie di materiali in acciai martensitici o bainitici temprati in tutto lo spessore e acciai cementati, con uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenero. Entrambi i progetti possono fornire la resistenza di contatto richiesta, ma le inclusioni e i difetti di lavorazione possono comunque avviare la fatica nel sottosuolo.

Nel 1987 la NASA ha riferito che la durezza, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi influenzano la durata a fatica dei corpi volventi. I risultati mostrano inoltre perché la storia del processo sia importante: metodi come la fusione sotto doppio vuoto possono influenzare le prestazioni a fatica più di una piccola variazione nella composizione nominale della lega. L’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio resta un materiale standard per i corpi volventi e le piste, come afferma NTN, ma la designazione della lega non stabilisce di per sé la durata di un cuscinetto finito.

### Il significato di L10 e dell’affidabilità del 90%

La durata nominale di base ISO 281 è associata a un’affidabilità del 90%. Strong evidence

 \[4\] \[4\] [**ISO 281:2007 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life**](https://www.iso.org/standard/38102.html). International Organization for Standardization. International Standard, 2007.La norma ISO 281 definisce la durata nominale di base come la durata associata a un’**affidabilità del 90%**. Tale durata è indicata con **L10**, sebbene la notazione possa indurre in errore i lettori che interpretano “10” come un limite di esercizio del dieci per cento. Non è una scadenza di guasto.

**Significato di L10**

Base dell’affidabilità

90%

Popolazione

Cuscinetti apparentemente identici

Evento

Prime indicazioni di fatica del materiale

Interpretazione

Il 90% raggiunge o supera L10

Schaeffler definisce L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. JTEKT attribuisce alla grandezza lo stesso significato statistico e afferma che la propria capacità di carico dinamico di base rappresenta la capacità di resistenza alla fatica volvente dei cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o con materiali equivalenti. Pertanto, in una popolazione sottoposta a prova secondo le ipotesi del calcolo, il dieci per cento può mostrare le prime indicazioni di fatica del materiale prima di L10, mentre il novanta per cento raggiunge o supera tale valore.

Anche l’espressione “prime indicazioni” è significativa. L’evento è l’insorgenza della fatica da contatto volvente, come lo sviluppo di cricche nel sottosuolo o la conseguente sfogliatura, e non necessariamente il grippaggio completo, la frattura o la perdita di tutta la capacità di sopportare il carico. Un cuscinetto che ha raggiunto L10 non è automaticamente inutilizzabile, e un cuscinetto che non ha raggiunto L10 non è immune da guasti dovuti ad altri meccanismi.

L10 non è neppure la durata media. Le distribuzioni della durata dei cuscinetti sono disperse, perciò la media aritmetica può essere sostanzialmente superiore alla durata con affidabilità del 90% e può essere distorta da un piccolo numero di cuscinetti che funzionano per un periodo molto lungo. L10 viene utilizzato perché fornisce una misura definita della coda inferiore della popolazione, applicabile in modo coerente dagli ingegneri. I calcoli dell’affidabilità superiori al 90% richiedono una correzione separata dell’affidabilità; non devono essere dedotti semplicemente moltiplicando L10 per una percentuale scelta.

La statistica presuppone inoltre una popolazione di cuscinetti apparentemente identici, funzionanti sotto le condizioni pertinenti di carico, velocità, lubrificazione e materiale. I cuscinetti reali prodotti non sono mai perfettamente identici e le macchine reali raramente mantengono condizioni costanti. Il valore calcolato ha quindi significato soltanto insieme alle sue ipotesi.

### Durata di base e durata nominale modificata

La durata nominale di base utilizza le condizioni di riferimento ISO ed è principalmente un calcolo basato sul carico e sulla fatica. La **durata nominale modificata** estende tale calcolo tenendo conto dei fattori che possono aumentare o ridurre la durata a fatica nell’applicazione reale. La norma ISO 281 include gli effetti dell’affidabilità, della lubrificazione, della contaminazione e del carico limite di fatica. Queste influenze non sono intercambiabili con la durezza e non possono essere rappresentate in modo sicuro mediante un fattore di correzione universale privo di adeguato supporto.

La lubrificazione influisce sulla separazione tra le asperità a contatto e quindi sulla gravità delle concentrazioni locali di tensione. Un film elastoidrodinamico sufficiente può ridurre l’interazione superficiale dannosa; un film sottile o degradato può favorire la micropitting e accelerare l’avvio delle cricche. La contaminazione introduce impronte e concentratori di tensione, mentre l’acqua può modificare sia il lubrificante sia la superficie dell’acciaio. Un rapporto del U.S. Department of Energy del 2024 ha rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava la micropitting e la formazione di cricche da fatica da contatto volvente ed era associata alla presenza di materiale ad attacco bianco nelle interfacce delle cricche.

La correzione per la contaminazione dipende inoltre dal tipo, dalle dimensioni, dalla concentrazione e dalla distribuzione delle particelle, nonché dalle dimensioni del cuscinetto e dalle condizioni di contatto. Non può essere ridotta all’affermazione che un cuscinetto sia “pulito” perché il suo acciaio soddisfa una specifica relativa al materiale. La pulizia interna resta importante: la valutazione dell’ASM Handbook colloca le inclusioni dannose subito dopo la microstruttura per importanza ai fini di un’elevata durata a fatica.

Il carico limite di fatica, comunemente associato a **Pu**, rappresenta il carico al di sotto del quale la fatica nel sottosuolo viene trattata diversamente nel modello della durata modificata. Ciò non significa che un carico inferiore a Pu garantisca un funzionamento indefinito. Danni superficiali, usura, corrosione, danni elettrici, falsa brinellatura e cedimento del lubrificante possono verificarsi senza il classico processo di fatica nel sottosuolo presupposto dall’equazione della durata nominale di base.

La durata nominale modificata è quindi un modello del sistema cuscinetto: produzione dell’acciaio e trattamento termico, geometria del cuscinetto, carico applicato, lubrificazione, contaminazione e affidabilità richiesta entrano tutti nel risultato. La norma ISO 281 fornisce un metodo di calcolo rigoroso. Non sostituisce l’analisi dei guasti, il controllo della pulizia, il monitoraggio del lubrificante o una corretta progettazione del cuscinetto, e non può trasformare un valore nominale di durezza in una garanzia della durata di esercizio.

## Le principali famiglie di acciai per cuscinetti

La rassegna *Steels for bearings* (2011) e la norma ASTM STP 1327 suddividono gli acciai per cuscinetti in due famiglie principali: gli acciai temprati a cuore, martensitici o bainitici in tutta la sezione operativa, e gli acciai cementati, caratterizzati da uno strato superficiale duro sopra un cuore più tenace e più morbido. Si tratta di una classificazione metallurgica, non di una graduatoria. La scelta corretta dipende dalla tensione di contatto, dalle dimensioni della sezione, dai carichi d’urto, dalla geometria, dal ciclo produttivo e dalla tolleranza al danneggiamento richiesta.

La durata di un cuscinetto non può essere dedotta dalla sola durezza nominale. La norma ISO 281:2007 calcola i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base per i cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità, definendo la durata nominale di base a un’affidabilità del 90%. La designazione L10 indica pertanto che il 90% dei cuscinetti apparentemente identici dovrebbe raggiungere o superare il numero di giri dichiarato prima della comparsa dei primi segni di fatica del materiale; non significa che ogni cuscinetto si guasterà a quel punto. Schaeffler e JTEKT utilizzano la stessa definizione. La durata corretta può tenere conto della lubrificazione, della contaminazione, dell’affidabilità e del carico associato al limite di fatica, fattori che possono allontanare le prestazioni effettive da una semplice stima basata sul materiale.

### Acciai martensitici temprati a cuore

Confronto tra le architetture temprata in profondità e cementata superficialmente.
| Caratteristica | Acciaio temprato in profondità | Acciaio cementato superficialmente |
|---|---|---|
| Distribuzione del carbonio | Progettata per la sezione di lavoro | Arricchita in prossimità della superficie |
| Regione dura | Si estende attraverso la sezione utile | Concentrata nello strato cementato |
| Cuore | Struttura di lavoro temprata | Struttura a minor tenore di carbonio e più tenace |
| Principale ciclo di lavorazione | Austenitizzazione, tempra, rinvenimento o trasformazione bainitica | Cementazione o carbonitrurazione seguita da tempra e rinvenimento |

Un acciaio temprato a cuore non è semplicemente un acciaio duro. Dopo l’austenitizzazione e la tempra, la sezione trasversale prevista si trasforma in martensite, seguita da un rinvenimento finalizzato a stabilire la durezza richiesta, la stabilità dimensionale e lo stato delle tensioni residue. Il termine “a cuore” descrive la profondità della struttura temprata; non richiede che ogni atomo del componente abbia lo stesso tenore di carbonio o la stessa durezza. In un anello di cuscinetto o in un elemento volvente, la regione rilevante deve conservare una struttura martensitica rinvenuta idonea nelle condizioni di contatto operative.

Designazioni comuni associate alla famiglia degli acciai per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio; l’equivalenza esatta richiede la verifica della norma e della forma del prodotto.
| Sistema di designazione | Designazione | Descrizione del materiale |
|---|---|---|
| AISI | 52100 | Acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio |
| SAE | 52100 | Acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio |
| Europea | 100Cr6 / 1.3505 | Acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio |
| JIS | SUJ2 | Acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio |

\[5\] \[5\] [**Bearing Steel Technical Documentation**](https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf). NTN. NTN Americas, 2020.Il noto grado al cromo e alto tenore di carbonio AISI 52100, designato anche SAE J404 52100, EN ISO 683-17 100Cr6 e JIS G 4805 SUJ2, costituisce l’esempio standard. NTN identifica l’acciaio per cuscinetti al cromo e alto tenore di carbonio come materiale standard per gli elementi volventi e le piste. Il suo contenuto di circa l’1% di carbonio e l’1,5% di cromo favorisce elevata durezza, resistenza all’usura e formazione di carburi, ma la designazione del grado non garantisce la durata a fatica. Sono importanti le dimensioni, la distribuzione e la dissoluzione dei carburi durante il trattamento termico. Carburi eccessivi o distribuiti in modo inadeguato possono agire come concentratori locali di tensione o lasciare variazioni composizionali dopo l’austenitizzazione.

Temprabilità **Temprabilità** Capacità di una sezione di acciaio di sviluppare, a una determinata velocità di raffreddamento, la struttura trasformata temprata prevista.

La temprabilità determina fino a quale distanza dalla superficie temprata l’acciaio può sviluppare la struttura martensitica prevista a una determinata velocità di raffreddamento. In una sfera di piccole dimensioni, un acciaio convenzionale al cromo e alto tenore di carbonio può temprarsi facilmente in gran parte della sezione; in un anello di grandi dimensioni, le condizioni di raffreddamento e lo spessore della sezione possono produrre diversi prodotti di trasformazione o gradienti di durezza. Questa distinzione è importante perché la fatica da contatto volvente è determinata da un campo ciclico di tensioni di taglio nel sottosuolo, non dal solo valore della durezza superficiale.

Anche l’austenite residua è una variabile da controllare. Una certa quantità di austenite residua può assorbire le deformazioni di trasformazione e contribuire alla stabilità dimensionale se adeguatamente selezionata, mentre un contenuto eccessivo o instabile può trasformarsi durante l’esercizio, modificando le dimensioni e generando tensioni locali. La rassegna NASA del 1987 identifica la durezza, l’austenite residua, la dimensione dei grani e le dimensioni, il numero e l’area dei carburi come fattori che influenzano la durata a fatica degli elementi volventi. Grani fini dell’austenite precedente e una popolazione controllata di carburi riducono generalmente le pericolose variazioni locali, ma “maggiore durezza” rimane una regola progettuale incompleta.

L’ASM Handbook (2014) attribuisce alla pulizia metallurgica e all’assenza di inclusioni non metalliche nocive il massimo livello di attenzione: dopo una microstruttura adeguata, la pulizia metallurgica è il singolo fattore più importante per ottenere una lunga durata a fatica da contatto volvente. Un’inclusione può innescare una cricca al di sotto della pista anche quando durezza, composizione chimica e profondità dello strato cementato misurata sembrano corrette. I processi sotto vuoto, la rifusione sotto elettroscoria quando appropriata, le pratiche di forgiatura, il rapporto di riduzione e i controlli possono quindi influenzare la durata più di una piccola modifica del contenuto di elementi di lega. Per questo motivo, il contesto dello studio dei materiali in ASTM STP 1327 comprende la produzione dell’acciaio, la pulizia metallurgica, la fatica da contatto volvente e la tempra a cuore.

Gli acciai bainitici costituiscono il secondo ramo degli acciai temprati a cuore. Il loro percorso di trasformazione è diverso: invece di essere temprati direttamente ottenendo prevalentemente martensite e quindi rinvenuti, vengono raffreddati e mantenuti nell’intervallo di trasformazione bainitica, oppure sottoposti a un ciclo di trattamento termico controllato che produce una matrice bainitica. La bainite può offrire una combinazione utile di durezza, tenacità, stabilità dimensionale e tensioni residue, in particolare nelle sezioni di grandi dimensioni, dove la tempra diretta può creare gradienti indesiderati. Le prestazioni dipendono comunque dalla morfologia dei carburi, dalla dimensione dei grani dell’austenite precedente, dall’austenite residua, dal contenuto di inclusioni e dall’esatto ciclo di trasformazione. Il termine “bainitico” non sostituisce la specificazione della struttura e della condizione di trattamento.

### Acciai cementati con cuore più morbido

Gli acciai cementati presentano il tenore di carbonio più elevato e, di conseguenza, la massima durezza raggiungibile in prossimità della superficie operativa. La cementazione o la carbonitrurazione arricchisce lo strato esterno prima della tempra; lo strato cementato si trasforma in martensite dura, spesso con un contenuto controllato di austenite residua, mentre la parte interna a basso tenore di carbonio sviluppa un cuore più tenace e di durezza inferiore. Tra gli esempi ingegneristici comuni figurano EN ISO 683-3 20MnCr5 e SAE J404 8620, sebbene la designazione applicabile e la specifica del trattamento termico debbano essere indicate per il componente, anziché essere dedotte dalla sola denominazione della famiglia.

![Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente](/images/uploads/e56b4dbc-d8a1-4734-b006-2aae1edf6f39/wiki-inline-a-hard-contaminant-dent-with-a-raised-rim-on-a-polished-steel-bearing-raceway-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/e56b4dbc-d8a1-4734-b006-2aae1edf6f39/wiki-inline-a-hard-contaminant-dent-with-a-raised-rim-on-a-polished-steel-bearing-raceway-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente")A contaminant dent repeatedly disturbs the contact and raises local stress.

Lo strato superficiale deve resistere alla deformazione plastica, all’usura e alla fatica da contatto volvente. La sua profondità deve inoltre estendersi oltre la zona in cui si concentrano le tensioni di contatto dannose, con una transizione che non crei un punto debole netto. Il cuore ha una funzione diversa: deve sostenere lo strato cementato, assorbire gli urti, resistere alla frattura e tollerare le tensioni dovute ad accoppiamenti con interferenza, impatti o disallineamenti. Un cuscinetto cementato può quindi sopportare una superficie operativa più dura senza rendere l’intera sezione fragile quanto potrebbe diventare una struttura completamente caratterizzata da alto tenore di carbonio ed elevata durezza.

La tenacità del cuore è particolarmente importante per anelli di grandi dimensioni, componenti fortemente caricati e applicazioni esposte a urti o a carichi sul bordo. Tuttavia, un cuore tenace non può compensare uno strato cementato contaminato, una profondità di cementazione insufficiente, un contenuto eccessivo di austenite residua o danni da rettifica. I gradienti di carbonio, la severità della tempra, le deformazioni e le tensioni residue devono essere controllati congiuntamente. Lo strato cementato non è inoltre automaticamente superiore nella fatica volvente: se la tensione di contatto penetra in profondità, se la transizione è progettata in modo inadeguato o se un’inclusione si trova nella regione critica del sottosuolo, il vantaggio previsto può scomparire.

Le due famiglie rispondono inoltre in modo diverso alla temprabilità. In un grado temprato a cuore, la temprabilità controlla se la sezione operativa sviluppa la struttura martensitica richiesta in tutta la sua estensione. In un grado cementato, controlla la trasformazione sia dello strato arricchito sia del cuore a basso tenore di carbonio, mentre la cementazione controlla la profondità e il gradiente del carbonio. La durezza superficiale può essere simile nelle due famiglie, ma la loro risposta alle tensioni nel sottosuolo e il loro comportamento alla frattura non sono gli stessi.

Infine, nessuna delle due famiglie opera indipendentemente dal sistema cuscinetto. SKF mette in relazione il danneggiamento a fatica con la geometria del contatto, la distribuzione del carico, la lubrificazione e i concentratori di tensione. Lo studio del U.S. Department of Energy del 2024 sulla contaminazione da acqua ha rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava la micropitting e la formazione di cricche da fatica da contatto volvente, risultando associata a materiale bianco da attacco alle interfacce delle cricche. La capacità del materiale stabilisce un limite massimo; la pulizia metallurgica, il processo produttivo, l’assemblaggio, lo stato del lubrificante e la contaminazione determinano quanta parte di tale capacità venga effettivamente raggiunta.

## Acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio e designazioni comuni

### Il ruolo dell’alto tenore di carbonio e del cromo

L’acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio è una famiglia di materiali utilizzata per molti anelli e corpi volventi dei cuscinetti, ma la sua designazione non consente, di per sé, di prevedere la durata del cuscinetto. Nella documentazione sui cuscinetti del 2020, NTN identifica l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio come materiale standard per i corpi volventi e le piste. Tale affermazione descrive una categoria di materiali riconosciuta, non sostiene che una singola qualità venga utilizzata per ogni cuscinetto, caso di carico o ambiente operativo. Gli acciai martensitici e bainitici temprati a cuore costituiscono una classe importante di acciai per cuscinetti; gli [acciai da cementazione](/it/categorie/acciai-da-cementazione "acciai da cementazione"), con uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenace, ne costituiscono un’altra, come descritto nella rassegna del 2011 *Steels for bearings*.

Il carbonio fornisce la risposta alla tempra necessaria per un acciaio per cuscinetti temprato a cuore. Durante l’austenitizzazione e la tempra, una quantità sufficiente di carbonio consente la formazione di martensite ad alto tenore di carbonio, mentre i carburi non disciolti e precipitati contribuiscono alla resistenza all’usura e alla capacità di sopportare le sollecitazioni di contatto. Sono importanti sia la quantità sia la distribuzione. Un’eccessiva segregazione dei carburi, particelle di carburo grossolane o una rete di carburi non idonea possono creare concentrazioni locali di tensione anziché migliorare la resistenza a fatica.

Il cromo svolge diverse funzioni correlate. Aumenta la temprabilità, consentendo a una sezione del cuscinetto di trasformarsi in modo più uniforme durante la tempra, e partecipa alla formazione di carburi ricchi di cromo. Contribuisce inoltre alla stabilità dimensionale e alla resistenza all’usura attese dalla struttura sottoposta a trattamento termico. Tuttavia, il tenore di cromo non sostituisce un processo controllato. La temperatura di austenitizzazione, il tempo di mantenimento, la velocità di raffreddamento, il rinvenimento, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani di austenite primaria e la morfologia dei carburi modificano tutti la struttura risultante.

La qualità comunemente nota come AISI 52100 illustra questa relazione. La sua composizione nominale viene generalmente indicata in prossimità dello 0,98–1,10% di carbonio e dell’1,30–1,60% di cromo, con manganese e silicio presenti in intervalli specificati più ristretti, ma tali valori non definiscono l’intero materiale del cuscinetto. Nel rapporto NASA del 1987, la durezza, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi sono stati identificati come fattori che influenzano la durata a fatica dei corpi volventi. NASA ha inoltre riferito che il processo produttivo, inclusa la fusione sottovuoto doppia, poteva influenzare la durata più della sola composizione chimica.

L’acciaio pulito è particolarmente importante. Nel trattamento del 2014 sugli acciai per cuscinetti, l’ASM Handbook identifica la pulizia e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura idonea, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. Un’inclusione può agire come concentratore di tensione sotto la pista o la superficie di rotolamento, avviando una cricca che in seguito si propaga sotto l’azione di contatti hertziani ripetuti. Sono importanti la dimensione, la composizione, la forma e la posizione dell’inclusione, nonché il suo legame con l’acciaio circostante; un semplice valore dell’ossigeno totale non può descrivere ogni rischio rilevante. \[6\] \[6\] [**Load Carrying Capacity and Life**](https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life). Schaeffler. Schaeffler Knowledge Center, 2024.

Per questo motivo, la durezza nominale non deve essere confusa con la durata calcolata. La norma ISO 281:2007 fornisce metodi per il calcolo della capacità di carico dinamica e della durata nominale di base dei cuscinetti volventi fabbricati con acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità. La sua durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%. Schaeffler definisce in modo analogo L10: il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. JTEKT descrive la capacità di carico dinamica di base come la capacità di resistenza alla fatica volvente e applica L10 ai cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti.

Le prestazioni effettive dipendono anche dalla geometria del contatto, dalla distribuzione del carico, dalla lubrificazione, dalla contaminazione e dalle condizioni superficiali. La contaminazione da acqua ne è un esempio diretto: una ricerca riferita nel 2024 dal U.S. Department of Energy ha rilevato che l’acqua disciolta o libera nel lubrificante aumentava il micropitting e la fessurazione da fatica da contatto volvente ed era associata alla presenza di *white-etching matter* alle interfacce delle cricche. Una designazione della qualità dell’acciaio non può tenere conto di tale condizione operativa.

### Designazioni AISI, SAE, EN ed equivalenti

AISI 52100 e SAE 52100 sono designazioni ampiamente utilizzate per un acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio. In molti documenti tecnici, le due designazioni numeriche vengono considerate riferite alla stessa famiglia di qualità nominale. Questa abbreviazione è utile solo quando la specifica citata la supporta effettivamente. Le pubblicazioni AISI e SAE, le specifiche di acquisto, le adozioni nazionali e le schede tecniche dei produttori possono imporre requisiti diversi in materia di composizione chimica, forma del prodotto, classe di qualità, prove o processo produttivo.

La designazione europea viene comunemente scritta **100Cr6**, con numero del materiale **[1.3505](/it/materiali/numero-materiale/1.3505 " — composizione, corrispondenze e norme")**, nelle norme europee pertinenti sugli acciai per cuscinetti. Una citazione dovrebbe identificare la norma e l’edizione, ad esempio **EN ISO 683-17:2014**, anziché presentare “100Cr6” come sinonimo universale privo di contesto. La norma internazionale è indicata come **ISO 683-17**, con l’anno e il titolo applicabili verificati rispetto al documento citato. L’adozione britannica può comparire come **BS ISO 683-17**, ancora una volta con l’anno di pubblicazione e i dettagli del documento nazionale.

Altri sistemi nazionali utilizzano designazioni differenti. **JIS G 4805 SUJ2** è una designazione giapponese frequentemente associata all’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio. I documenti ASTM possono specificare acciai antifrizione per cuscinetti ad alto tenore di carbonio attraverso **ASTM A295/A295M**, ma una specifica di prodotto ASTM non costituisce automaticamente un’equivalenza uno a uno rispetto alla designazione AISI 52100 o alla designazione EN ISO 683-17 100Cr6. Essa può definire limiti chimici, requisiti del prodotto o disposizioni relative alla qualità secondo modalità differenti.

I documenti dei produttori possono aggiungere un ulteriore livello di complessità. NTN, SKF, Schaeffler, JTEKT e altre organizzazioni operanti nel settore dei cuscinetti possono identificare famiglie di materiali, codici interni dei materiali, condizioni di trattamento termico o varianti caratterizzate da pulizia migliorata. Una simile designazione può descrivere un prodotto per cuscinetti sottoposto a controllo, senza costituire una sostituzione formale di **AISI 52100**, **SAE 52100**, **100Cr6**, **1.3505** o **SUJ2**. Quando si cita una fonte, occorre conservare l’ortografia esatta, l’uso delle maiuscole, gli spazi, il numero del materiale, il numero della norma e la revisione.

### Perché l’equivalenza tra designazioni richiede una verifica

L’equivalenza chimica è solo il primo controllo. Due acciai possono rientrare in intervalli simili di carbonio e cromo, pur differendo per zolfo, fosforo, elementi residui, tenore di ossigeno, limiti relativi alle inclusioni, controllo della segregazione e processo produttivo ammesso. Tali differenze possono influenzare il comportamento a fatica da contatto volvente anche quando un certificato di analisi chimica di laboratorio appare simile.

Il trattamento termico costituisce un’ulteriore linea di demarcazione. “52100” non indica la temperatura di austenitizzazione, il mezzo di tempra, il trattamento sottozero, il ciclo di rinvenimento, il profilo di durezza, il contenuto di austenite trattenuta o il requisito di stabilità dimensionale. Analogamente, “100Cr6” da solo non rivela se il prodotto sia una barra ricotta, un semilavorato per anelli temprati a cuore, un materiale finito per piste di cuscinetti o una variante sottoposta a un processo speciale. Un cuscinetto da cementazione può utilizzare una qualità completamente diversa, poiché la superficie e il nucleo richiedono tenori di carbonio e comportamenti di trasformazione differenti.

La pulizia e la morfologia delle inclusioni richiedono una verifica separata. La fusione sottovuoto, la rifusione elettroslag, il trattamento sottovuoto doppio, la pratica di rifusione, il rapporto di riduzione, la forgiatura, la laminazione e le regole di controllo possono produrre differenze significative tra materiali che riportano designazioni di qualità simili. La domanda rilevante non è soltanto se la composizione corrisponda, ma se l’acciaio specificato presenti un controllo delle inclusioni, una microstruttura, un trattamento termico e una qualità del prodotto comparabili.

L’equivalenza prestazionale è ancora più circoscritta. I calcoli della durata secondo ISO 281 si basano su ipotesi definite relative al cuscinetto e al materiale, mentre la durata corretta può tenere conto della lubrificazione, della contaminazione, dell’affidabilità e degli effetti del limite di fatica. Un acciaio nominalmente equivalente non garantisce lo stesso valore di L10, la stessa durata corretta o la stessa resistenza al micropitting. Pertanto, un articolo non dovrebbe sostituire disinvoltamente una designazione AISI o SAE con una designazione EN, ISO, JIS, ASTM o del produttore. Occorre innanzitutto verificare la norma citata, l’edizione, la forma del prodotto, i requisiti integrativi di qualità e la condizione del trattamento termico. Solo allora “equivalente” potrà significare qualcosa di più di una composizione chimica simile.

## Pulizia: la variabile metallurgica che le sintesi divulgative sottovalutano

La durezza nominale è facile da misurare e pertanto diventa spesso la proprietà principale indicata per un acciaio da cuscinetti. La fatica da contatto volvente è meno semplice da valutare. Una pista di cuscinetto può avere la durezza prescritta e una composizione di lega ben nota, ma cedere precocemente perché un’inclusione non metallica microscopica crea un sito locale di innesco della cricca. La capacità del materiale di resistere alla fatica è quindi il risultato della fabbricazione dell’acciaio, della pratica di fusione, della deformazione, del trattamento termico, del carico di contatto e della lubrificazione, non di un valore di durezza considerato isolatamente.

Una volta ottenuta una microstruttura adeguata, la pulizia e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive sono i fattori più importanti per una lunga durata a fatica da contatto volvente. Strong evidence

L’ASM Handbook rende esplicita questa gerarchia. La sua trattazione del 2014 sugli acciai per cuscinetti identifica innanzitutto una microstruttura adeguata, seguita dalla pulizia dell’acciaio e dall’assenza di inclusioni non metalliche nocive, come i fattori più importanti per ottenere una lunga durata a fatica da contatto volvente. Questa affermazione è più forte della consueta tesi secondo cui “l’acciaio pulito dura più a lungo”. Essa colloca le inclusioni nocive al centro della progettazione e della produzione dei cuscinetti, una volta ottenuta la struttura richiesta della matrice.

Questa capacità del materiale non deve essere confusa con la durata calcolata del cuscinetto. La norma ISO 281:2007 specifica i metodi per determinare i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base dei cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%. Nella terminologia utilizzata da Schaeffler nel 2024, L10 è il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa dei primi segni di fatica del materiale. JTEKT indica la stessa base del 90% per la durata nominale di base. Queste definizioni descrivono una popolazione statistica, non una garanzia per un singolo cuscinetto, e non eliminano gli effetti di un’inclusione insolitamente dannosa, di un lubrificante contaminato o di un campo di tensione locale sfavorevole.

### Le inclusioni non metalliche come concentratori di tensione

![Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente](/images/uploads/6ffe494a-1a4d-4a77-baf3-71e8fc91d7bd/wiki-inline-a-sectional-comparison-of-a-through-hardened-steel-bearing-ring-and-a-case-harde-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/6ffe494a-1a4d-4a77-baf3-71e8fc91d7bd/wiki-inline-a-sectional-comparison-of-a-through-hardened-steel-bearing-ring-and-a-case-harde-1920x1434.avif "Ingrandisci immagine — Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente")Through-hardening and case-hardening place strength and toughness at different depths.

Inclusione non metallica **Inclusione non metallica** Particella non metallica inglobata nell’acciaio, come un ossido, un solfuro, un silicato, un alluminato o un’inclusione complessa, che può alterare il campo di sollecitazione locale.

Un contatto volvente sottopone ripetutamente a compressione e a taglio un volume di acciaio prossimo alla superficie. La tensione nominale hertziana viene calcolata a partire dalla geometria, dal carico e dalle dimensioni del contatto, ma l’acciaio non è sottoposto a tale tensione come un continuo perfettamente uniforme. Un’inclusione interrompe la matrice metallica. Il suo modulo elastico, la sua forma, l’adesione all’acciaio circostante e la sua resistenza alla deformazione differiscono da quelli della matrice martensitica, bainitica o cementata che la circonda.

Questa incompatibilità modifica il campo di tensione locale. Le tensioni di trazione e di taglio possono concentrarsi al bordo di un’inclusione, soprattutto in corrispondenza di uno spigolo vivo, di un’estremità allungata o di un’interfaccia scarsamente aderente. Il passaggio ripetuto del contatto favorisce quindi la formazione di una cricca nel sottosuolo o di una cricca che raggiunge la pista. Una volta formata una piccola cricca, il carico ciclico può estenderla fino a provocare il distacco di una porzione della pista o dell’elemento volvente. La vaiolatura visibile è un’evidenza tardiva; l’evento metallurgico è iniziato a una scala molto più ridotta.

Le principali famiglie di materiali descritte nella rassegna del 2011 *Steels for bearings* sono gli acciai martensitici o bainitici temprati a cuore e gli acciai cementati, caratterizzati da uno strato superficiale indurito sopra un nucleo più tenero. Entrambe le famiglie possono essere soggette a fatica da contatto volvente innescata da inclusioni. La cementazione modifica il profilo di durezza e delle tensioni residue in funzione della profondità, mentre la tempra a cuore produce una matrice e una condizione del nucleo differenti; tuttavia, nessuna delle due strutture rende innocua un’inclusione dannosa.

Le inclusioni interagiscono inoltre con il sistema operativo. La spiegazione di SKF sulla fatica dei cuscinetti volventi collega la durata alla geometria del contatto, alla distribuzione del carico, alla lubrificazione e ai concentratori di tensione. Una pista con una depressione derivata da un’inclusione può perturbare il film lubrificante, aumentare la pressione locale e generare ulteriori danni superficiali. Una lubrificazione insufficiente non crea l’inclusione originaria, ma può ridurre il tempo che intercorre tra l’innesco e il danno visibile. La contaminazione da acqua offre un’ulteriore via al danneggiamento: lavori sperimentali riportati nel 2024 attraverso l’Office of Scientific and Technical Information del U.S. Department of Energy hanno rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava la micropitting e la criccatura da fatica da contatto volvente ed era associata a materiale che presenta attacco con acido alla superficie delle cricche.

### Chimica, dimensioni e morfologia delle inclusioni

La “pulizia” non è una singola denominazione chimica. Descrive la popolazione di particelle non metalliche e la probabilità che una particella dannosa si trovi in un volume fortemente sollecitato. Le inclusioni di ossido derivano comunemente da prodotti di disossidazione, riossidazione o scoria inglobata. Le inclusioni di solfuro si formano a seguito di reazioni che coinvolgono lo zolfo e possono essere relativamente tenere e deformabili durante la laminazione. Silicati, alluminati, spinelli e inclusioni complesse contenenti calcio rappresentano altre popolazioni possibili, a seconda della chimica dell’acciaio, dell’interazione con i refrattari e del trattamento in siviera.

I loro effetti differiscono. Un ossido o un alluminato duro e angoloso può comportarsi come un grave concentratore di tensione, poiché resiste alla deformazione e presenta caratteristiche geometriche appuntite. Un’inclusione di solfuro di manganese può deformarsi in un filamento durante la lavorazione a caldo, producendo proprietà dipendenti dalla direzione e un’interfaccia allungata. Un’inclusione complessa può contenere un nucleo duro e una fase esterna modificata; il suo comportamento a fatica, pertanto, non può essere dedotto dal solo tenore nominale di zolfo o ossigeno.

Le dimensioni sono importanti, ma da sole non sono sufficienti. In generale, un’inclusione più grande disturba una porzione maggiore della matrice e presenta un potenziale sito di innesco della cricca più elevato. Anche la posizione è importante: una particella situata nella regione di massima tensione di taglio ortogonale può essere più dannosa di una particella più grande al di fuori del principale volume sollecitato. Forma, rapporto d’aspetto, aggregazione, orientamento, adesione interfacciale e struttura dei carburi circostanti modificano tutti il risultato locale. Due colate con valori medi di ossigeno simili possono quindi mostrare prestazioni diverse a fatica da contatto volvente se differiscono per le inclusioni di dimensioni maggiori, per la distribuzione delle inclusioni o per la storia di deformazione.

La matrice rimane importante. Il rapporto NASA del 1987 sulla fatica degli elementi volventi identificava la durezza, l’austenite residua, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi come fattori che influenzano la durata. Carburi eccessivi o distribuiti in modo inadeguato possono influenzare i percorsi delle cricche e la tensione locale; l’austenite residua può trasformarsi sotto il carico di esercizio; la dimensione dei grani e la resistenza della matrice influenzano la deformazione ciclica. La pulizia deve quindi essere intesa come una variabile decisiva all’interno di un sistema microstrutturale, non come un sostituto del controllo del trattamento termico.

### Trattamenti sotto vuoto e ciclo di fabbricazione dell’acciaio

Il ciclo di fabbricazione dell’acciaio determina il modo in cui le inclusioni vengono generate, modificate, rimosse o trattenute. La rifusione sotto elettroscoria, la rifusione ad arco sotto vuoto e altre pratiche di rifusione secondaria possono ridurre determinate popolazioni di inclusioni e migliorare il controllo della segregazione, ma il risultato dipende dall’intera catena di processo: fusione, affinazione, colata, rifusione, fucinatura o laminazione, trattamento termico e ispezione. Un’indicazione relativa al vuoto non sostituisce la caratterizzazione misurata delle inclusioni.

I risultati NASA del 1987 sono particolarmente importanti perché mettono in discussione le spiegazioni basate esclusivamente sulla chimica. Il rapporto rilevava che processi come la fusione a doppio vuoto potevano influenzare la durata a fatica degli elementi volventi più della sola composizione chimica. I cicli a doppio vuoto combinano comunemente la fusione a induzione sotto vuoto con la rifusione ad arco sotto vuoto, riducendo l’esposizione alla riossidazione atmosferica e migliorando il controllo dei gas disciolti e delle popolazioni di inclusioni. L’implicazione è diretta: due acciai con percentuali nominali di lega simili possono avere durate a fatica diverse quando le loro storie di fusione e affinazione producono livelli di pulizia o distribuzioni delle particelle differenti.

ASTM STP 1327 colloca questo tema accanto alla durata dei cuscinetti, alla fatica da contatto volvente, alla fabbricazione dell’acciaio, alla tempra a cuore, alla cementazione, agli acciai aerospaziali, agli acciai resistenti alla corrosione e alla modifica superficiale. Questo contesto più ampio è importante perché la pulizia viene trasferita al componente finito. La fucinatura può frammentare o allungare le inclusioni; la lavorazione meccanica può esporre una particella sottosuperficiale; il trattamento termico può modificare la matrice che la circonda. La durata del cuscinetto emerge dal componente risultante, sottoposto alla sua effettiva tensione di contatto, alle condizioni del lubrificante e al livello di contaminazione. La chimica definisce le possibilità. Una fabbricazione pulita dell’acciaio determina quante di queste possibilità sopravvivranno sotto forma di difetti critici per la fatica.

## Microstruttura dopo il trattamento termico

Il trattamento termico determina molto più della durezza finale misurata su un provino di prova. Stabilisce le fasi che sopportano il contatto volvente, le tensioni residue lasciate dalla tempra, la stabilità del componente durante l’esercizio e la dimensione e distribuzione dei carburi, che possono sostenere la resistenza all’usura oppure avviare un danneggiamento per fatica. Una pista di rotolamento può quindi rispettare una specifica nominale di durezza e tuttavia offrire prestazioni insoddisfacenti se la martensite è troppo fragile, se l’austenite trattenuta si trasforma durante il funzionamento o se la popolazione di carburi contiene particelle grandi e mal distribuite.

Le principali classi di materiali sono gli acciai martensitici o bainitici temprati a cuore e gli acciai cementati, nei quali uno strato superficiale duro è sostenuto da un nucleo più tenero, come descritto nella rassegna del 2011 *Steels for bearings*. Secondo NTN (2020), l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio è un materiale standard per i corpi volventi e le piste di rotolamento. Una designazione comune è SAE 52100, indicata anche come AISI 52100 in numerosi riferimenti tecnici; le sue prestazioni dipendono dall’intero ciclo di fusione, forgiatura, laminazione, trattamento termico e finitura, non dalla sola designazione.

### Martensite, bainite e strutture rinvenute

La martensite temprata offre un’elevata durezza perché il carbonio rimane intrappolato in un reticolo di ferro sovrasaturo. Tale durezza aumenta la resistenza alle sollecitazioni ripetute di taglio e compressione generate al di sotto del contatto tra pista di rotolamento ed elemento volvente. Tuttavia, da sola non è sufficiente. La martensite non rinvenuta presenta elevate tensioni interne e una limitata tolleranza alla frattura; per questo viene normalmente rinvenuta, così da ridurre le tensioni di tempra e regolare l’equilibrio tra durezza e tenacità.

Il rinvenimento fa precipitare il carbonio dalla martensite e ne modifica la tetragonalità, la resistenza e la risposta alla frattura. Una struttura adeguatamente rinvenuta può resistere alla deformazione plastica sotto il contatto, tollerando al contempo meglio le concentrazioni locali di tensione rispetto alla martensite non rinvenuta. Un rinvenimento eccessivo, tuttavia, riduce la durezza e può aumentare la profondità della deformazione plastica prodotta da ogni passaggio del contatto. La deformazione ripetuta si accumula quindi attorno alle inclusioni, alle interfacce dei carburi, ai danni di rettifica o ad altre discontinuità.

Gli acciai bainitici per cuscinetti seguono un diverso percorso di trasformazione. A seconda della temperatura di trasformazione e della lavorazione, la bainite può offrire una combinazione utile di durezza, tenacità e stabilità dimensionale, con una distorsione da tempra inferiore rispetto a un ciclo completamente martensitico. La sua risposta alla fatica dipende comunque dalla finezza e dall’uniformità della struttura bainitica, dallo stato dei carburi e dalle tensioni residue. “Bainitico” non identifica un’unica classe prestazionale: prodotti di trasformazione grossolani o non uniformi non sopportano le sollecitazioni di contatto allo stesso modo di una struttura fine e attentamente controllata.

I gradi cementati presentano una superficie ad alto tenore di carbonio e dura sopra un nucleo a più basso tenore di carbonio. Lo strato cementato resiste alla deformazione di contatto, mentre il nucleo può assorbire parte delle sollecitazioni d’urto e di flessione. Il potenziale di carbonio, la profondità dello strato cementato, l’austenite trattenuta, la precipitazione dei carburi e la trasformazione del nucleo devono essere adeguati al campo di sollecitazione applicato. Uno strato troppo poco profondo lascia elevate tensioni sottosuperficiali in un materiale più tenero; uno strato troppo duro o sostenuto in modo inadeguato può diventare sensibile alla fessurazione.

Le tensioni residue aggiungono un ulteriore elemento. Le tensioni residue di compressione in prossimità della superficie di lavoro possono ritardare l’apertura delle cricche, mentre le tensioni residue di trazione favoriscono l’innesco e la propagazione delle cricche. La tempra, la cementazione, la rettifica e la finitura possono modificare tutte questo campo di tensioni. Il profilo utile delle tensioni residue è quindi il risultato del processo, non una conseguenza garantita dell’elevata durezza.

### Austenite trattenuta e stabilità dimensionale

Austenite residua **Austenite residua** Austenite che non si trasforma durante la tempra e rimane come fase metastabile nell’acciaio trattato termicamente.

L’austenite trattenuta è l’austenite che rimane dopo la tempra invece di trasformarsi in martensite. In un acciaio per cuscinetti, una certa quantità di austenite trattenuta può migliorare la tenacità e adattarsi alla deformazione locale, ma è metastabile. La pressione di contatto, il taglio ciclico, la temperatura e il tempo possono trasformarla in martensite fresca o in altri prodotti durante l’esercizio.

Tale trasformazione può produrre variazioni dimensionali e tensioni locali. Nei cuscinetti di precisione, anche una piccola variazione della geometria della pista di rotolamento modifica la conformità del contatto, la distribuzione del carico e lo spessore del film lubrificante. La conseguente variazione della tensione di picco può ridurre la durata a fatica nonostante un valore di durezza inizialmente accettabile. La trasformazione può inoltre creare martensite fresca e relativamente non rinvenuta, che può diventare una regione sensibile alla fessurazione, a meno che il rinvenimento successivo e le condizioni di esercizio non ne controllino la risposta.

Anche la condizione opposta è problematica. Se l’austenite trattenuta viene ridotta eccessivamente o trasformata troppo rapidamente, la struttura può perdere parte della propria capacità di adattamento alla deformazione e diventare più fragile. Il trattamento criogenico, il rinvenimento di stabilizzazione e una tempra strettamente controllata vengono impiegati in alcuni cicli di lavorazione, ma i loro effetti dipendono dal tenore di carbonio, dagli elementi di lega, dalle dimensioni della sezione e dalle condizioni dell’austenite preesistente. Non esiste una percentuale universale di austenite trattenuta che definisca la sicurezza di un cuscinetto.

La rassegna NASA del 1987 sulla fatica degli elementi volventi identifica la durezza e l’austenite trattenuta tra le variabili che influenzano la durata, insieme alla dimensione dei grani e alla dimensione, al numero e all’area dei carburi. Questo risultato è importante perché l’austenite trattenuta modifica sia la risposta meccanica iniziale sia la struttura presente dopo milioni di cicli di contatto. Una misurazione della durezza effettuata immediatamente dopo il rinvenimento non descrive l’intera storia di esercizio.

La lubrificazione e la contaminazione possono mettere in evidenza queste debolezze. La sintesi del 2024 del U.S. Department of Energy sui lavori sperimentali riporta che l’acqua disciolta o libera ha aumentato il micropitting e la fessurazione da fatica da contatto volvente, con presenza di materia a incisione bianca associata alle interfacce delle cricche. Il lubrificante controlla lo stato di sollecitazione del contatto sulla superficie, mentre la struttura trattata termicamente controlla il modo in cui vengono assorbite le tensioni sottosuperficiali. Né il materiale né il lubrificante possono quindi essere valutati isolatamente.

### Dimensione dei grani e popolazione dei carburi

La dimensione dei grani dell’austenite preesistente influenza la scala dei prodotti di trasformazione che si formano durante il raffreddamento. Grani fini di austenite preesistente offrono generalmente percorsi più brevi per la propagazione delle cricche e possono favorire una struttura martensitica o bainitica più uniforme. I grani grossolani possono concentrare la deformazione di trasformazione e creare regioni più ampie con orientamento cristallografico simile, consentendo alle cricche di fatica di svilupparsi o avanzare con minori ostacoli. L’affinamento del grano non elimina la necessità di garantire pulizia metallurgica o un rinvenimento corretto; modifica una parte del problema relativo all’innesco e alla propagazione delle cricche.

I carburi forniscono fasi dure ricche di carbonio e cromo, che contribuiscono alla resistenza all’usura e mantengono la durezza. La loro popolazione deve essere valutata considerando più aspetti della sola dimensione media. NASA (1987) ha riportato specificamente effetti dovuti alla dimensione, al numero e all’area dei carburi. L’area dei carburi descrive la frazione della microstruttura occupata dai carburi; il numero dei carburi descrive quante particelle sono presenti; la dimensione descrive la loro scala e, aspetto fondamentale, la coda superiore della distribuzione dimensionale.

Carburi fini, numerosi e ragionevolmente uniformi possono sostenere la durezza senza produrre grandi difetti isolati. Un’area eccessiva occupata dai carburi può ridurre la continuità della matrice portante. Particelle grandi, filamenti di carburi residui della lavorazione o aggregati orientati dalla laminazione possono agire da concentratori locali di tensione. La matrice e il carburo presentano risposte elastiche e plastiche differenti, per cui il contatto ripetuto può generare elevate tensioni interfacciali. Una cricca può innescarsi in corrispondenza di un carburo, di un aggregato di carburi o di un’inclusione adiacente a uno di essi.

Un tenore di carbonio insufficiente o una formazione inadeguata dei carburi crea il problema opposto: l’acciaio può non possedere la durezza e la resistenza all’usura necessarie per sopportare il contatto ripetuto senza accumulare deformazione plastica. Aumentare il tenore di carbonio o il contenuto di carburi non è una soluzione semplice, perché carburi grossolani non disciolti e segregazioni possono aumentare il rischio di innesco delle cricche. Il trattamento termico deve dissolvere una quantità di carbonio sufficiente per la martensite o lo strato cementato previsti, mantenere una popolazione controllata di carburi non disciolti ed evitare un ingrossamento eccessivo durante l’austenitizzazione.

L’ASM Handbook (2014) identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. La fusione sotto vuoto e i relativi processi di affinazione possono quindi influenzare la durata a fatica più di una piccola variazione della composizione chimica. La storia di lavorazione è importante.

Anche questi effetti del materiale devono essere considerati in un quadro statistico. ISO 281:2007 definisce la durata nominale di base come la durata associata a un’affidabilità del 90%; BS ISO 281:2007 ne costituisce l’adozione britannica. Schaeffler (2024) e JTEKT (2024) definiscono analogamente L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. Tale durata calcolata non è una promessa basata sulla sola durezza. Descrive una popolazione in presenza di ipotesi dichiarate, mentre il risultato effettivo riflette la microstruttura, le inclusioni, le sollecitazioni, la lubrificazione, la contaminazione, la geometria e la variabilità di fabbricazione.

## Meccanica del contatto, distribuzione del carico e concentratori di tensione

### Contatto elastico concentrato

Un cuscinetto volvente non trasmette il carico attraverso un’ampia area sottoposta a sollecitazione uniforme. Ogni sfera o rullo preme contro una pista di rotolamento attraverso una piccola area di contatto, generando un contatto elastico concentrato. La pressione locale e le tensioni di taglio nel sottosuolo dipendono dal carico normale, dai raggi di curvatura, dalle proprietà elastiche dei due corpi e dalla forma del contatto. Questo è il problema del contatto hertziano, ma i contatti dei cuscinetti non sono punti isolati da manuale: la curvatura della pista, la conformità, il bombamento, l’angolo di contatto e la larghezza finita dei rulli modificano il campo di tensione.

Il manuale SKF considera la geometria del contatto e la distribuzione del carico elementi centrali per la fatica dei cuscinetti, poiché le tensioni ortogonali e di taglio massime si verificano sotto la superficie di contatto, non necessariamente nel punto del danno visibile. Una variazione della curvatura della pista modifica le dimensioni e la distribuzione della pressione nell’ellisse di contatto. Un rullo con un raccordo di estremità insufficiente può produrre un’elevata concentrazione di pressione sul bordo, dove la tensione locale può superare di molto il valore previsto a partire dal carico nominale del cuscinetto. L’ondulazione della pista e l’errore di forma hanno un effetto analogo, facendo fluttuare il carico mentre l’elemento rotola.

La durezza nominale, pertanto, non può definire da sola le prestazioni. NTN identifica l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio come materiale standard per gli elementi volventi e le piste di rotolamento, comunemente rappresentato da qualità come AISI 52100 e dalle relative designazioni nazionali o aziendali. Tuttavia, un componente realizzato con questo acciaio può essere soggetto a una storia di sollecitazione diversa quando cambiano la conformità, l’angolo di contatto o il profilo della pista. L’acciaio fornisce una determinata capacità del materiale; la geometria determina quanta parte di tale capacità viene consumata dal contatto a ogni rivoluzione.

Anche lo stato della superficie rientra nel calcolo del contatto. Le asperità della rugosità possono penetrare nel film lubrificante quando quest’ultimo è sottile, producendo un’interazione locale metallo-metallo e picchi di pressione a corta lunghezza d’onda. La contaminazione da acqua peggiora la situazione. Uno studio del U.S. Department of Energy del 2024 ha riportato che l’acqua disciolta o libera aumentava il micropitting e la fessurazione da fatica dei contatti volventi ed era associata alla presenza di materiale a incisione bianca nelle interfacce delle cricche. La lubrificazione è quindi parte della meccanica del contatto, non una semplice questione di manutenzione.

Il calcolo della durata è una misura statistica di ingegneria, non una promessa che ogni cuscinetto cederà a una determinata tensione o dopo un numero fisso di rivoluzioni. La norma ISO 281:2007 specifica i metodi per i coefficienti di carico dinamico e per la durata nominale di base dei cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%. BS ISO 281:2007 ne costituisce l’adozione britannica. Schaeffler definisce L10 come il numero di rivoluzioni raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima delle prime indicazioni di fatica del materiale. La durata modificata può tenere conto della lubrificazione, della contaminazione, dell’affidabilità e del carico al limite di fatica, ma tali fattori descrivono comunque uno specifico sistema operativo, non la sola durezza.

### Ripartizione del carico tra gli elementi volventi

Il carico radiale o assiale applicato viene suddiviso tra gli elementi volventi, ma la suddivisione non è uniforme. L’elemento più vicino alla linea di carico sopporta la forza maggiore, mentre gli elementi situati più lontano lungo il cuscinetto ne sopportano progressivamente meno e, in determinate condizioni, possono sopportarne quasi nulla. L’estensione della zona caricata e la forza su ciascun elemento dipendono dal gioco radiale, dalla deformazione elastica, dall’angolo di contatto, dalla rigidezza degli anelli, dall’accoppiamento, dal precarico, dal carico esterno e dalla geometria interna.

Un cuscinetto con gioco eccessivo può concentrare il carico esterno su un numero ridotto di elementi. Il carico massimo sull’elemento aumenta quindi, incrementando la pressione hertziana e il ciclo di sollecitazione nel sottosuolo. Un precarico eccessivo crea il problema apparentemente opposto, ma correlato: un numero maggiore di elementi condivide il carico, tuttavia ogni elemento è sottoposto a una forza permanente prima dell’applicazione del carico esterno. Se il precarico è troppo elevato, possono aumentare il riscaldamento per attrito, la pressione di contatto e i danni da fatica. Di conseguenza, lo stesso acciaio per cuscinetti può produrre durate molto diverse in presenza di un accoppiamento lasco, di un accoppiamento con interferenza elevata o di un precarico eccessivo.

Il disallineamento modifica nuovamente la distribuzione. Un anello interno e uno esterno disallineati angolarmente possono costringere una sfera o un rullo a entrare in contatto con una pista vicino a un bordo. Nei cuscinetti a rulli cilindrici, l’inclinazione può spostare il carico verso le estremità dei rulli; nei cuscinetti a sfere, l’inclinazione dell’anello può deformare l’ellisse di contatto e produrre un carico sul bordo. La flessione dell’albero, la deformazione dell’alloggiamento e spallamenti imprecisi possono creare queste condizioni anche quando il carico nominale del cuscinetto rientra nel valore di catalogo. \[7\] \[7\] [**Bearing Knowledge: Basic Dynamic Load Rating and Rating Life**](https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html). JTEKT. JTEKT Bearing Knowledge, 2024.

Gli accoppiamenti influiscono su aspetti che vanno oltre il semplice fissaggio. Un accoppiamento con interferenza eccessiva può ridurre il gioco interno, aumentare il precarico e deformare un anello sottile del cuscinetto. Un accoppiamento lasco può consentire lo scorrimento dell’anello o il microslittamento, generando fretting e ulteriori danni superficiali. JTEKT descrive il coefficiente di carico dinamico di base come una misura della capacità nei confronti della fatica da rotolamento e afferma che L10 corrisponde a un’affidabilità del 90% per cuscinetti fabbricati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti. Tale affermazione presuppone che il cuscinetto operi entro le condizioni di geometria, carico e installazione rappresentate dal metodo di calcolo.

Anche la storia di sollecitazione dipende dallo stato del materiale. La rassegna del 2011 *Steels for Bearings* distingue gli acciai martensitici o bainitici temprati a cuore dagli acciai cementati, che presentano uno strato superficiale indurito sopra un nucleo più tenero. Nel 1987 NASA ha riferito che la durezza, l’austenite residua, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi influenzano la durata a fatica degli elementi volventi. L’ASM Handbook, 2014, identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere una lunga durata a fatica dei contatti volventi. Un contatto in AISI 52100 pulito e correttamente lavorato può quindi durare più a lungo di uno più duro ma più contaminato, sotto lo stesso carico nominale.

### Difetti superficiali e discontinuità geometriche

La fatica dei contatti volventi ha due origini principali. La fatica con origine nel sottosuolo inizia sotto la pista di rotolamento, spesso in corrispondenza di un’inclusione sottoposta a sollecitazione o di una regione con microstruttura sfavorevole, e può svilupparsi in uno sfaldamento dopo ripetuti carichi di taglio. Il danno con origine superficiale inizia sulla pista o sulla superficie dell’elemento volvente, dove rugosità, lubrificazione insufficiente, strisciamento, contaminazione o un difetto concentrano la tensione. La distinzione è importante perché una superficie lucidata non può eliminare un’inclusione interna nociva, mentre un’eccellente pulizia interna non può impedire a un’ammaccatura di agire come innesco ripetuto di una cricca.

Le inclusioni non metalliche sono particolarmente importanti perché il loro comportamento elastico e interfaciale differisce da quello dell’acciaio circostante. Il risultato dell’ASM colloca la pulizia immediatamente dopo una microstruttura adeguata in termini di importanza. Il processo produttivo può essere più determinante di una piccola variazione nella composizione chimica: il lavoro NASA del 1987 ha identificato la fusione sotto doppio vuoto e i relativi effetti di lavorazione come fattori influenti sulla durata a fatica degli elementi volventi. La composizione chimica determina le fasi possibili e la temprabilità, ma la fusione, la forgiatura, il trattamento termico e il controllo dei carburi determinano se la pista finita conterrà caratteristiche locali dannose.

![Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente](/images/uploads/494b65e5-79f0-4b53-b098-79bde2caaae4/wiki-inline-a-polished-and-etched-high-carbon-chromium-bearing-steel-microstructure-containi-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/494b65e5-79f0-4b53-b098-79bde2caaae4/wiki-inline-a-polished-and-etched-high-carbon-chromium-bearing-steel-microstructure-containi-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente")An inclusion can concentrate cyclic stress and initiate a subsurface fatigue crack.

Un’ammaccatura provocata da un contaminante duro è una discontinuità geometrica, non semplicemente un segno estetico. Ogni elemento che vi passa sopra urta il bordo dell’ammaccatura, creando un picco di pressione e una zona di deformazione plastica. Un danno di manipolazione su uno spallamento, una pista o un’estremità del rullo può produrre lo stesso effetto. Graffi, bruciature di rettifica, ondulazione e bave sporgenti interrompono la geometria di contatto prevista. In condizioni di lubrificazione a film sottile, queste caratteristiche possono innescare micropitting o cricche con origine superficiale; sotto carichi più elevati, possono accelerare una cricca fino a trasformarla in uno sfaldamento di maggiori dimensioni.

Il risultato pratico è diretto: la durata calcolata del cuscinetto appartiene al cuscinetto, al suo acciaio, alla sua geometria, ai suoi accoppiamenti, al suo precarico, al suo lubrificante e alla sua storia di contaminazione considerati come un unico sistema operativo. La modifica di uno qualsiasi di questi elementi può cambiare il campo di tensione locale lasciando invariati la qualità nominale e il valore di durezza.

## Lubrificazione, acqua e micropitting

### Separazione del film e interazione metallo-metallo

La lubrificazione fa molto più che ridurre l’attrito tra un elemento volvente e una pista. Il film lubrificante modifica il modo in cui le due superfici trasmettono il carico. In condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica completa, la pressione nel film trascinato separa la maggior parte delle asperità contrapposte, cosicché il contatto hertziano nominale viene sostenuto principalmente dal lubrificante, anziché dai picchi ripetuti della superficie d’acciaio. Quando lo spessore del film diminuisce rispetto alla rugosità superficiale, i contatti tra le asperità sostengono una quota maggiore del carico. Le loro tensioni locali possono superare di gran lunga la tensione calcolata per un contatto liscio, anche quando il carico applicato al cuscinetto non è cambiato.

Questa distinzione è importante perché i calcoli dei cuscinetti iniziano generalmente da ipotesi relative a geometria, carico e materiali. La norma ISO 281:2007 specifica i metodi per calcolare i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base dei cuscinetti volventi fabbricati con acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità. La sua durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%. Schaeffler descrive L10 negli stessi termini statistici: il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa dei primi segnali di fatica del materiale. Anche JTEKT definisce il coefficiente di carico dinamico di base come una misura della capacità di resistenza alla fatica volvente e L10 come la durata corrispondente a un’affidabilità del 90% per cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti.

Queste definizioni non fanno della lubrificazione una correzione secondaria. Distinguono una durata di riferimento calcolata dal risultato operativo di uno specifico cuscinetto installato in una specifica macchina. I metodi per il calcolo della durata corretta tengono conto di lubrificazione, contaminazione, affidabilità e carico corrispondente al limite di fatica, perché questi fattori modificano le tensioni che raggiungono effettivamente la superficie e il sottosuolo. Un cuscinetto realizzato in acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio, il materiale standard indicato da NTN per gli elementi volventi e le piste, può comunque subire un danneggiamento precoce se il lubrificante non è in grado di mantenere la separazione.

Lo spessore del film dipende da viscosità, velocità, carico, temperatura, finitura superficiale e geometria del contatto. Un aumento della temperatura riduce la viscosità; un movimento oscillatorio lento può impedire la formazione di un film adeguato; un carico elevato comprime il film aumentando al contempo la tensione nel sottosuolo. Il disallineamento e il carico sui bordi concentrano ulteriormente la pressione in una regione ristretta. Se si aggiungono particelle abrasive, queste possono imprimere la pista, producendo un concentratore permanente di tensione che rimane anche dopo il passaggio del contaminante. L’acqua può ridurre le prestazioni del film lubrificante, favorire la corrosione, alterare le reazioni degli additivi e modificare il modo in cui le superfici interagiscono. Il contatto può quindi passare ripetutamente da una separazione parziale a un impatto diretto metallo-metallo.

### Il micropitting come processo di fatica superficiale

Il micropitting è una forma di fatica superficiale, non semplicemente un difetto di rugosità o una macchia estetica. Inizia quando contatti ripetuti tra asperità, strisciamento, deformazione plastica locale e tensioni di trazione prossime alla superficie generano cricche di dimensioni molto ridotte. Le cricche possono crescere con angoli ridotti sotto la superficie e aprirsi in regioni grigie o opacizzate composte da numerose cavità minute. Una superficie può quindi apparire solo leggermente scolorita mentre la sua geometria portante e la popolazione di cricche stanno già cambiando.

La variabile critica è la condizione combinata della tensione di contatto e della separazione garantita dal film. Un basso rapporto lambda — il rapporto tra lo spessore del film lubrificante e la rugosità superficiale composita — indica che interagisce un numero maggiore di asperità. Lo strisciamento può aggiungere una tensione di taglio al carico compressivo ripetuto imposto dal rotolamento. Se un’asperità, un’impronta o un’inclusione aumenta sufficientemente la tensione locale, una cricca può innescarsi sulla superficie o nelle sue immediate vicinanze e propagarsi quindi sotto carico ciclico. Le micropitting possono coalescere in danni di sfaldamento più estesi, sebbene la transizione non sia automatica né immediata.

Per questo motivo la durezza nominale non può prevedere da sola la durata di un cuscinetto. Nel 1987 NASA ha riferito che durezza, austenite residua, dimensione dei grani e dimensione, numero e area dei carburi influenzano tutti la durata a fatica degli elementi volventi. È importante anche la storia di lavorazione dell’acciaio: la fusione a doppio vuoto e i relativi miglioramenti nella pulizia possono influire sulla durata più di una variazione modesta nella composizione della lega. Il *ASM Handbook*, nella trattazione del 2014 sugli acciai per cuscinetti, identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura idonea, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente.

Un’inclusione e un difetto superficiale correlato al lubrificante possono interagire. Un’inclusione sotto una pista produce una discontinuità del modulo elastico e una concentrazione locale delle tensioni. Una scarsa separazione del film aggiunge quindi un forte carico superficiale sopra quella posizione nel sottosuolo. Viceversa, una micropitting o un’impronta causata da un contaminante può aumentare il campo di tensione attorno a una regione d’acciaio altrimenti innocua. Il processo di fatica risultante riguarda l’intero sistema cuscinetto, non un valore di durezza riportato su un certificato del materiale.

Le principali famiglie di materiali descritte nella rassegna del 2011 *Steels for bearings* sono gli acciai martensitici o bainitici temprati a cuore e gli acciai cementati, con uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenero. Entrambe possono offrire prestazioni adeguate nel contatto volvente, ma nessuna delle due elimina la necessità di una lavorazione controllata, di un trattamento termico appropriato, di una lubrificazione adeguata e di condizioni operative pulite. Una superficie dura può resistere all’impronta sviluppando comunque cricche di fatica se il contatto è ripetutamente soggetto a una forte interazione tra asperità.

### Contaminazione da acqua e materia a incisione bianca

L’acqua è un contaminante attivo in un cuscinetto volvente, non semplicemente un diluente che riduce la viscosità del lubrificante. Può essere presente come acqua disciolta, acqua libera, condensa o emulsione dispersa. I suoi effetti dipendono da concentrazione, temperatura, composizione chimica del lubrificante, velocità di esercizio e condizioni della superficie d’acciaio. L’acqua può ridurre la capacità di formazione del film, favorire reazioni correlate all’idrogeno o la corrosione, alterare i film degli additivi e contribuire alla formazione di siti corrosi o danneggiati meccanicamente dai quali può iniziare la fatica.

L’acqua disciolta o libera nel lubrificante ha aumentato il micropitting e la fessurazione da fatica da contatto volvente ed è stata associata alla materia a incisione bianca nelle interfacce delle cricche. Preliminary evidence

Una ricerca sperimentale resa pubblica nel 2024 attraverso l’Office of Scientific and Technical Information del U.S. Department of Energy ha rilevato che la presenza di acqua disciolta o libera nei lubrificanti aumentava la comparsa di micropitting e di cricche da fatica da contatto volvente. Lo stesso lavoro ha associato la contaminazione da acqua alla presenza di materia a incisione bianca nelle interfacce delle cricche. Questo risultato collega una condizione del lubrificante sia al danneggiamento superficiale sia alle caratteristiche microstrutturali osservate attorno alle cricche di fatica. Ciò non significa che ogni cuscinetto esposto all’acqua si guasterà seguendo un unico percorso identico, né che la materia a incisione bianca abbia una causa universale.

La materia a incisione bianca è una regione microstrutturale che viene attaccata più debolmente rispetto all’acciaio per cuscinetti circostante, apparendo spesso attorno alle cricche o sotto le superfici danneggiate. Diverse pubblicazioni hanno associato tale materia a ferrite modificata, dissoluzione o redistribuzione dei carburi, forte deformazione plastica, effetti all’apice della cricca e meccanismi correlati all’idrogeno, a seconda del cuscinetto, del lubrificante e della storia operativa. L’acqua può contribuire ad alcuni di questi processi modificando le condizioni tribochimiche e le reazioni all’apice della cricca. Altri casi possono essere determinati da tensioni elevate, scariche elettriche, strisciamento, difetti del materiale o deformazione a lungo termine. Considerare la materia a incisione bianca come prova di uno specifico meccanismo di guasto sopravvaluta ciò che la sola microscopia può dimostrare.

La contaminazione del lubrificante deve inoltre essere mantenuta distinta dalla pulizia dell’acciaio. Acqua, particelle e additivi degradati entrano nel cuscinetto durante la fabbricazione, il montaggio, lo stoccaggio o il funzionamento; le inclusioni non metalliche sono caratteristiche del processo di produzione e lavorazione dell’acciaio. La conclusione dell’ASM relativa alla pulizia riguarda queste ultime. Un acciaio pulito può essere danneggiato da un lubrificante contaminato, mentre un lubrificante altamente filtrato non può rimuovere un’inclusione già inglobata sotto la pista. In esercizio, tuttavia, i meccanismi possono rafforzarsi a vicenda: un’inclusione fornisce un concentratore di tensione nel sottosuolo, un film indebolito dall’acqua aumenta il carico sulle asperità e la cricca risultante può sviluppare materia a incisione bianca nella propria interfaccia.

Il miglioramento della durata richiede quindi il controllo di entrambi i lati del contatto. La scelta del materiale e le pratiche di fusione riducono i siti interni di innesco; il trattamento termico controlla martensite, bainite, austenite residua e carburi; la filtrazione e la tenuta limitano particelle e acqua; la scelta del lubrificante preserva la separazione del film alla temperatura e alla velocità effettive. La durata risultante è il risultato statistico dell’intero sistema, non una semplice conseguenza della designazione della lega o della durezza nominale.

## Dall’innesco della cricca alla rottura per contatto volvente

La fatica da contatto volvente inizia al di sotto, sulla superficie caricata o in prossimità di essa, quando le sollecitazioni di contatto hertziane ripetute superano la resistenza locale dell’acciaio. Una pista di rotolamento di un cuscinetto può apparire liscia e priva di danni, mentre ogni elemento volvente che vi passa produce un impulso di sollecitazione breve e intenso. La massima tensione di taglio ortogonale si trova generalmente al di sotto della superficie, ma la sua posizione e la sua intensità cambiano in funzione della geometria del contatto, della distribuzione del carico, della lubrificazione, della topografia superficiale e della trazione. Un difetto, un ammasso di carburi, un campo di tensioni residue o una regione danneggiata meccanicamente possono concentrare tale sollecitazione ciclica in misura sufficiente a innescare una cricca.

La rottura successiva non è determinata soltanto dalla durezza nominale. L’acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio per cuscinetti, comprese le designazioni 100Cr6 e AISI 52100 utilizzate per componenti di cuscinetti temprati a cuore, può presentare prestazioni a fatica molto diverse in funzione della pulizia, del trattamento termico, dell’austenite trattenuta, della morfologia dei carburi e della storia di lavorazione. NTN identifica l’acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio come materiale standard per gli elementi volventi e le piste di rotolamento. La rassegna *Steels for bearings* (2011) suddivide gli acciai per cuscinetti in qualità martensitiche o bainitiche temprate a cuore e acciai da cementazione, nei quali uno strato superficiale duro è sostenuto da un nucleo più tenero. Entrambe le famiglie possono rompersi per fatica da contatto volvente, ma i loro profili di sollecitazione e i percorsi delle cricche sono diversi.

### Innesco delle cricche al di sotto della superficie

Un’inclusione non metallica è spesso il più importante concentratore locale di tensione in un acciaio per cuscinetti dall’aspetto pulito. Ossidi, solfuri, silicati e ammassi complessi di inclusioni differiscono dalla matrice martensitica rinvenuta circostante per modulo elastico, forma, adesione e deformabilità. In condizioni di contatto volvente ripetuto, l’interfaccia tra inclusione e matrice può decohesionarsi, oppure può formarsi una cricca nella matrice accanto a un bordo affilato dell’inclusione. La cricca cresce quindi all’interno della regione sottosuperficiale soggetta a tensione di taglio ciclica.

La trattazione del 2014 sugli acciai per cuscinetti nell’ASM Handbook identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche dannose come il singolo fattore più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere una lunga durata a fatica da contatto volvente. Ciò non significa che ogni inclusione causi una rottura. Contano le dimensioni, la morfologia, la posizione, l’orientamento, la distanza dalla zona di massima sollecitazione e la storia locale delle sollecitazioni. Una piccola inclusione arrotondata può essere innocua, mentre un ossido angoloso di maggiori dimensioni situato direttamente sotto la pista di contatto può risultare critico.

La microstruttura controlla il modo in cui l’acciaio reagisce intorno a tale difetto. Il lavoro NASA del 1987 sulla fatica dei cuscinetti riferisce che durezza, austenite trattenuta, dimensione dei grani e dimensioni, quantità e area dei carburi influenzano la durata a fatica degli elementi volventi. Un’eccessiva segregazione dei carburi può fornire percorsi preferenziali per le cricche; un contenuto inadeguato di austenite trattenuta può modificare la stabilità dimensionale e il comportamento di trasformazione; grani grossolani o un rinvenimento insufficiente possono ridurre la resistenza al danneggiamento ciclico. Il processo di fabbricazione può avere un peso maggiore di un semplice confronto della composizione chimica. La fusione sotto doppio vuoto, per esempio, può migliorare le prestazioni a fatica riducendo le inclusioni dannose anche quando l’analisi nominale della lega cambia poco.

La prima cricca è quindi un evento locale all’interno di un sistema di materiale sottoposto a carico. Può rimanere dormiente per molti cicli, estendersi per una breve distanza parallelamente alla pista di rotolamento oppure dirigersi verso la superficie quando cambia il campo di sollecitazione circostante. Un valore di durezza misurato su una sezione accessibile non può rivelare quale di queste condizioni sia presente.

### Propagazione delle cricche e sfaldamento

Quando una cricca sottosuperficiale raggiunge una dimensione critica, il rotolamento e lo scorrimento ripetuti la spingono attraverso il materiale sollecitato. Le superfici della cricca possono sfregare, ossidarsi o accumulare detriti di usura. Possono svilupparsi ramificazioni quando la cricca incontra carburi, bordi di grano dell’austenite precedente, inclusioni o regioni con tensioni residue differenti. Infine, una ramificazione si collega alla superficie della pista di rotolamento oppure una cricca prossima alla superficie isola un frammento di acciaio.

Lo sfaldamento è l’evento di asportazione del materiale che ne risulta: una porzione della pista di rotolamento temprata o dell’elemento volvente si separa, lasciando una cavità con fondo fratturato e bordi rialzati o deformati. Il frammento distaccato non è semplicemente una macchia o un segno lucidato. È un frammento di acciaio per cuscinetti generato dalla fatica, e la cavità aumenta l’impatto, le vibrazioni e la sollecitazione locale quando gli elementi volventi successivi la attraversano. Le particelle distaccate possono inoltre circolare nel lubrificante, producendo indentazioni secondarie e ulteriori concentratori di tensione.

Questa progressione spiega perché il danno visibile possa essere molto più esteso del difetto iniziale. Un’inclusione microscopica può avviare una cricca, mentre lo sfaldamento finale può rimuovere un’area dell’ordine dei millimetri dopo la ramificazione della cricca e il ripetuto caricamento superficiale. Il carico può rimanere al di sotto del limite di snervamento statico del componente nel suo complesso, mentre le sollecitazioni cicliche locali in corrispondenza del difetto e dell’apice della cricca possono comunque produrre fatica.

La terminologia relativa alla durata dei cuscinetti deve essere tenuta distinta da questa sequenza metallurgica. La norma ISO 281:2007 specifica i metodi per i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base dei cuscinetti volventi fabbricati con acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base corrisponde a un’affidabilità del 90%. BS ISO 281:2007 ne costituisce l’adozione britannica. Schaeffler definisce L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima delle prime indicazioni di fatica del materiale, e JTEKT applica la stessa base del 90% ai cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti. L10 è un riferimento statistico, non la garanzia che ogni cuscinetto presenti uno sfaldamento a quel punto. La durata corretta può tenere conto di lubrificazione, contaminazione, affidabilità e carico limite di fatica. Essa descrive un sistema operativo, non la composizione chimica considerata isolatamente.

### Fatica con origine superficiale e micropitting

Il danneggiamento con origine superficiale inizia nel punto in cui il contatto è esposto alle condizioni di lubrificazione e di manipolazione. Se il film lubrificante è troppo sottile rispetto alla rugosità superficiale combinata, le asperità contrapposte entrano ripetutamente in contatto. Una bassa viscosità, un apporto insufficiente di lubrificante, una temperatura eccessiva, lo scorrimento, la contaminazione da acqua e una composizione chimica errata del lubrificante possono ridurre la protezione offerta dal film. Un’ammaccatura provocata da una particella dura o da un urto durante il montaggio produce una concentrazione di tensione più acuta di quanto lasci supporre la sua modesta profondità. I detriti che attraversano il contatto possono imprimere un’indentazione in una pista di rotolamento e sollevare un labbro intorno all’impronta, innescando cricche sul bordo.

Il micropitting è una forma precoce di fatica superficiale caratterizzata da numerose cavità piccole e poco profonde e da un aspetto grigio o smerigliato. È associato all’interazione tra asperità, alla deformazione plastica locale, alle cricche con origine superficiale e alla perdita del materiale prossimo alla superficie. I micropit non sono equivalenti a uno sfaldamento maturo. Uno sfaldamento è una cavità di fatica più grande, formatasi dopo che la crescita della cricca ha distaccato un frammento integro; il micropitting consiste generalmente in asportazioni superficiali fini e distribuite, prima che si verifichi un distacco di tale entità. Se la lubrificazione e il carico rimangono sfavorevoli, i micropit possono coalescere, approfondirsi e svilupparsi in una forma più grave di fatica con origine superficiale.

L’acqua può aggravare entrambi i meccanismi. Uno studio del 2024 del U.S. Department of Energy ha riportato che l’acqua disciolta o libera nel lubrificante aumentava il micropitting e la fessurazione da fatica da contatto volvente ed era associata a white-etching matter alle interfacce delle cricche. La white-etching matter è una caratteristica metallurgica, non una diagnosi di per sé: la sua presenza deve essere interpretata insieme alla geometria delle cricche, alla deformazione locale, alla storia termica e alle condizioni operative.

L’esame successivo alla rottura deve quindi integrare diverse osservazioni. La posizione della frattura indica se il processo iniziale fosse sottosuperficiale o collegato alla superficie; la metallografia rivela martensite, bainite, austenite trattenuta, carburi, decarburazione e regioni di white-etching matter; l’analisi delle inclusioni stabilisce se una particella non metallica si trovi all’origine; i dati sul lubrificante, sulle tenute, sulla contaminazione e sui carichi verificano l’ipotesi relativa alle condizioni operative. La sollecitazione di contatto, il disallineamento, il ciclo di funzionamento e la trazione possono spiegare perché un difetto sia diventato attivo. A un cuscinetto non si può attribuire una causa legata al materiale basandosi soltanto su una fotografia dello sfaldamento o su una lettura della durezza.

## Cicli di Produzione e Controllo della Qualità

ASTM STP 1327 organizza la produzione degli acciai per cuscinetti attorno a quattro fasi collegate: produzione dell’acciaio, tempra integrale, cementazione e modifica superficiale. Questa sequenza è più utile che considerare la designazione di una qualità come una descrizione completa della capacità di resistere alla fatica. Un cuscinetto può essere realizzato con un acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio riconosciuto e mostrare comunque una scarsa durata a fatica da contatto volvente se la popolazione di inclusioni, la struttura dei carburi, la risposta al trattamento termico o la geometria finale non sono controllate. La revisione NASA del 1987 giunge alla stessa conclusione pratica: durezza, austenite residua, dimensione dei grani e dimensione, numero e area dei carburi influenzano tutti la durata a fatica degli elementi volventi, mentre differenze di processo come la fusione sotto doppio vuoto possono avere un peso maggiore di variazioni moderate nella composizione chimica.

### Produzione primaria e secondaria dell’acciaio

#### Sequenza di lavorazione e controllo qualità

1. **Fusione e affinazione** Controllare la composizione, i gas, le interazioni con la scoria e la formazione di inclusioni.
2. **Colata e rifusione** Limitare la segregazione e le discontinuità interne mediante solidificazione controllata o rifusione.
3. **Fucinatura o laminazione** Affinare la struttura colata e controllare deformazione, bandeggiamento e dimensione dei grani.
4. **Trattamento termico** Stabilire martensite, bainite, carburi, austenite residua e tensioni residue.
5. **Ispezione** Verificare pulizia, durezza, microstruttura, geometria, condizioni superficiali e profondità di cementazione.

Il ciclo inizia con la selezione della carica, la fusione e l’affinazione. L’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio è un materiale standard per gli elementi volventi e le piste di rotolamento, come descritto da NTN, mentre per altre applicazioni si utilizzano acciai legati da tempra integrale, qualità bainitiche o acciai da cementazione. La designazione comune AISI 52100, generalmente riportata come ASTM A295 Grade 52100 per barre e fili di qualità per cuscinetti, non garantisce un’identica qualità interna da una colata o da un produttore all’altro. I limiti chimici definiscono un intervallo di composizione; non definiscono il numero, la dimensione, la morfologia o la distribuzione delle inclusioni non metalliche.

La produzione primaria dell’acciaio stabilisce la composizione globale e rimuove una parte dell’ossigeno disciolto, dello zolfo e degli altri elementi indesiderati. La metallurgia secondaria controlla quindi i dettagli che diventano critici nel contatto volvente: la pratica di disossidazione, il trattamento sotto vuoto, le reazioni scoria-metallo, la temperatura, l’agitazione, la modificazione delle inclusioni e le condizioni di colata. Il trattamento con calcio, per esempio, può modificare la forma delle inclusioni, ma un’inclusione meno angolare non è automaticamente innocua in una pista di rotolamento fortemente sollecitata. Restano importanti la sua composizione chimica, la dimensione, la posizione rispetto al contatto e il legame con la matrice circostante.

Per ottenere un acciaio pulito è necessario il controllo dell’intero ciclo. La riossidazione durante il trasferimento, la scoria trascinata, la contaminazione da polvere di lingottiera, una gestione inadeguata della paniera e la segregazione della linea centrale possono introdurre difetti che un test finale di durezza non rileverà. La rifusione sotto elettroscoria, la rifusione ad arco sotto vuoto e altri cicli di affinazione possono ridurre specifiche popolazioni di difetti, ma ciascuno presenta limiti di processo e deve essere valutato in base al materiale risultante, non soltanto al nome del processo. La forgiatura o la laminazione successiva disgrega la struttura colata e ridistribuisce la segregazione; il rapporto di riduzione, la temperatura di deformazione e la storia di raffreddamento influenzano la bandatura dei carburi, la dimensione dei grani e la rilevabilità mediante ultrasuoni.

Un certificato che riporti carbonio, cromo, manganese, silicio, fosforo e zolfo stabilisce quindi soltanto la conformità chimica. Di per sé, non stabilisce le prestazioni a fatica da contatto volvente. Il trattamento degli acciai per cuscinetti contenuto nell’ASM Handbook del 2014 identifica la pulizia e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo l’ottenimento di una microstruttura adeguata, per raggiungere una lunga durata a fatica da contatto volvente. Questa gerarchia mette in guardia dal classificare gli acciai sulla sola base del tenore nominale di carbonio o di cromo.

### Concetti di fusione e rifusione sotto vuoto

La lavorazione sotto vuoto riguarda i gas e le inclusioni, ma “fuso sotto vuoto” non indica un unico livello qualitativo. La fusione a induzione sotto vuoto (VIM) fonde e affina la carica a pressione ridotta, contribuendo a rimuovere l’idrogeno disciolto e a limitare la contaminazione atmosferica, consentendo al contempo un controllo preciso della composizione. La rifusione ad arco sotto vuoto (VAR) rifonde quindi un elettrodo consumabile sotto vuoto. La solidificazione controllata può ridurre la segregazione e i vuoti e produrre un lingotto più pulito e uniforme. Un ciclo VIM-VAR è spesso definito fusione sotto doppio vuoto.

Lo scopo non è semplicemente aumentare la durezza. Una minore quantità di idrogeno riduce il rischio di sfogliatura e criccatura interna; un migliore controllo della solidificazione riduce la segregazione nociva; e una minore quantità di inclusioni riduce la concentrazione locale delle tensioni sotto il contatto hertziano ripetuto. I risultati NASA del 1987 sono importanti in questo contesto perché pongono la storia di processo accanto alla composizione chimica e, talvolta, persino prima di essa come determinante della durata. Due colate conformi alla stessa specifica nominale possono rispondere in modo diverso alla sferoidizzazione, all’austenitizzazione, alla tempra e al rinvenimento, poiché differiscono per la segregazione preesistente e per la popolazione di carburi.

La rifusione comporta anche compromessi. La qualità dell’elettrodo, la stabilità dell’arco, la velocità di fusione e la geometria del lingotto influenzano la segregazione e i difetti. Una colata rifusa richiede comunque forgiatura, trattamento termico e ispezione. Il trattamento sotto vuoto non può correggere una microstruttura finale sfavorevole né rimuovere una bruciatura di rettifica sulla pista di rotolamento. Inoltre, non elimina la necessità di controllare la lubrificazione e la contaminazione durante l’esercizio. Studi sperimentali riportati dal U.S. Department of Energy nel 2024 hanno rilevato che l’acqua disciolta o libera nel lubrificante aumentava il micropitting e la criccatura da fatica da contatto volvente ed era associata a materiale a incisione bianca sulle interfacce delle cricche. La lavorazione del materiale e le condizioni operative si incontrano nel contatto.

Dopo la produzione dell’acciaio, la distinzione di ASTM STP 1327 tra tempra integrale, cementazione e modifica superficiale aiuta a definire ciò che deve essere verificato. Gli acciai martensitici o bainitici temprati integralmente presentano una sezione indurita che attraversa l’intero componente operativo. Gli acciai da cementazione offrono una superficie dura, arricchita di carbonio, sopra un nucleo più tenero e tenace, il che può migliorare la resistenza all’impronta e sostenere le tensioni sotto-superficiali. La modifica superficiale può comprendere rettifica controllata, superfinizione, nitrurazione o altri trattamenti che modificano la rugosità, le tensioni residue o la durezza prossima alla superficie. Questi cicli modificano il campo delle tensioni; non rendono irrilevanti le inclusioni.

### Ispezione della pulizia e della microstruttura

La metallografia collega il ciclo produttivo alla struttura che sostiene effettivamente il carico. Una sezione lucidata e attaccata può rivelare la dimensione dei grani di austenite precedente, la martensite o la bainite, le reti di carburi, la bandatura, la decarburazione, le cricche di tempra e i costituenti anomali. La microscopia ottica è comunemente integrata dalla microscopia elettronica a scansione e dall’analisi a dispersione di energia quando è necessario identificare l’origine di un’inclusione o di una cricca. La questione non è semplicemente se l’acciaio sia duro, ma se la sua matrice e le sue seconde fasi forniscano una struttura stabile e resistente alla propagazione delle cricche.

La valutazione delle inclusioni misura la quantità, il tipo, la dimensione e la distribuzione del materiale non metallico rispetto a un metodo di confronto specificato, come ASTM E45. Le valutazioni delle inclusioni di ossido, solfuro, silicato e delle inclusioni globulari possono mettere in evidenza differenze che la composizione chimica globale nasconde. L’analisi automatizzata delle inclusioni può aggiungere dati sulla distribuzione dimensionale e mappe delle inclusioni, mentre l’ispezione ultrasonica può rilevare discontinuità interne di maggiori dimensioni in un volume di produzione. Una valutazione è il risultato di un campionamento, non una previsione diretta della durata: un’inclusione rara vicina alla regione della massima tensione di taglio sotto-superficiale può dominare il cedimento di un singolo cuscinetto anche quando la valutazione media appare accettabile.

La valutazione dei carburi è altrettanto necessaria negli acciai al cromo ad alto tenore di carbonio. Reti di carburi eccessive, carburi grossolani non disciolti, bandatura dei carburi o una sferoidizzazione insufficiente possono favorire la criccatura, ridurre la tenacità e produrre una risposta non uniforme durante l’austenitizzazione. Le misurazioni devono riguardare la dimensione dei carburi, il numero, la frazione areale e la distribuzione. NASA identifica specificamente tutte e quattro queste caratteristiche — insieme a durezza, austenite residua e dimensione dei grani — come variabili che influenzano la durata a fatica degli elementi volventi.

La misurazione della durezza verifica la risposta al trattamento termico, utilizzando una scala e punti di misura specificati anziché una singola lettura superficiale effettuata nel punto più comodo. L’austenite residua richiede una misurazione separata, comunemente mediante diffrazione a raggi X, poiché due componenti con la stessa durezza Rockwell possono contenere quantità diverse di austenite residua, che durante l’esercizio può trasformarsi o causare variazioni dimensionali. L’ispezione dimensionale verifica quindi la geometria della pista di rotolamento, la rotondità, l’ondulazione, l’eccentricità, la profondità dello strato cementato, i danni da rettifica e la rugosità superficiale. La geometria del contatto e la distribuzione del carico determinano le tensioni calcolate; pertanto, un acciaio chimicamente conforme ma con una geometria inadeguata non costituisce un sistema conforme per la fatica.

ISO 281:2007 calcola i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base per cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base è la durata associata a un’affidabilità del 90%. Schaeffler e JTEKT definiscono pertanto statisticamente L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. La durata corretta considera inoltre la lubrificazione, la contaminazione, l’affidabilità e il carico limite di fatica. Il controllo della qualità stabilisce la capacità del materiale. Non trasforma un certificato chimico in una garanzia di L10.

## Acciai per cuscinetti temprati a cuore rispetto agli acciai cementati

Gli acciai per cuscinetti sono spesso suddivisi in due architetture metallurgiche: gli acciai temprati a cuore, la cui sezione utile è dura dalla superficie di contatto verso l’interno, e gli acciai cementati, il cui strato esterno duro è sostenuto da un nucleo più tenace e a minore tenore di carbonio. La distinzione non consiste semplicemente nello scegliere tra “duro” e “morbido”. Essa determina il modo in cui vengono gestite le tensioni di contatto, le tensioni di taglio sotto-superficiali, i carichi d’urto, la propagazione delle cricche e le deformazioni dovute alla fabbricazione.

Nessuna delle due architetture garantisce una determinata durata del cuscinetto. La norma ISO 281:2007 definisce i metodi per calcolare i coefficienti di carico dinamico e la durata nominale di base dei cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base è quella associata a un’affidabilità del 90%. Anche Schaeffler e JTEKT definiscono L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima che compaiano le prime indicazioni di fatica del materiale. Questo risultato statistico descrive una popolazione di cuscinetti, non un valore di durezza.

### Durezza uniforme attraverso la sezione

Gli acciai per cuscinetti temprati a cuore sono comunemente qualità al cromo ad alto tenore di carbonio, come AISI/SAE 52100, designato anche come 100Cr6 nella norma EN ISO 683-17 e come SUJ2 nella norma JIS G 4805. NTN identifica l’acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio per cuscinetti come materiale standard per i corpi volventi e le piste. Dopo austenitizzazione, tempra e rinvenimento, l’acciaio sviluppa una struttura prevalentemente martensitica contenente carburi finemente distribuiti. La tempra bainitica a cuore costituisce un’ulteriore soluzione utilizzata per determinati progetti di cuscinetti e trattamenti termici, con un ciclo di trasformazione scelto per ottenere la resistenza, la stabilità dimensionale e le prestazioni a fatica richieste.

Il principale vantaggio è la continuità. La pista o il corpo volvente non passa bruscamente da uno strato cementato duro a un interno significativamente più tenero. Le tensioni sotto-superficiali incontrano quindi un materiale con una resistenza sostanzialmente simile attraverso la zona sottoposta al carico, caratteristica adatta a molti contatti volventi convenzionali. Ciò è particolarmente utile quando le tensioni ortogonali e di taglio massime si trovano sotto la superficie, come avviene nei contatti hertziani. L’intera sezione può sopportare carichi di compressione e di taglio, mentre la matrice resiste alla deformazione plastica intorno ai carburi e ad altri concentratori locali di tensione.

“Durezza uniforme” non significa microstruttura uniforme. Un anello per cuscinetti in 52100 può presentare, attraverso la propria sezione, variazioni nella martensite, nell’austenite trattenuta, nelle dimensioni e nella distribuzione dei carburi e nella dimensione dei grani di austenite preesistente. Anche la risposta al trattamento termico dipende dallo spessore della sezione e dalle condizioni di raffreddamento. Nel 1987 NASA ha riferito che la durezza, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani e le dimensioni, il numero e l’area dei carburi influenzano tutti la durata a fatica dei corpi volventi. Un’eccessiva quantità di austenite trattenuta può trasformarsi durante l’esercizio e contribuire a variazioni dimensionali; dimensioni eccessive dei carburi o fenomeni di segregazione possono creare siti locali di innesco delle cricche anche quando la durezza misurata rientra nelle specifiche.

La pulizia dell’acciaio è altrettanto determinante. L’ASM Handbook, nel 2014, ha identificato la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. Un’inclusione situata vicino alla zona di massima tensione di taglio può produrre un campo locale di trazione, innescare una cricca e determinare la distribuzione dei cedimenti. La fusione sotto vuoto, la rifusione sotto elettroscoria, il controllo delle inclusioni e una forgiatura accurata possono quindi modificare le prestazioni a fatica più di una modesta variazione della composizione nominale della lega. Anche le prove condotte da NASA hanno rilevato che i processi produttivi, compresa la fusione a doppio vuoto, potevano influenzare fortemente la durata.

La tempra a cuore presenta dei limiti. Un anello di grandi dimensioni o un componente fortemente caricato può sviluppare gradienti di durezza, tensioni residue e deformazioni durante la tempra. La resistenza richiesta nella sezione può inoltre ridurre la tolleranza agli urti o ai danneggiamenti dei bordi, soprattutto quando la geometria crea concentrazioni di tensione. Un profilo di durezza, la misurazione dell’austenite trattenuta, l’esame metallografico e il controllo dimensionale forniscono informazioni più utili di una singola lettura della durezza superficiale.

### Superficie indurita sopra un nucleo più tenace

Gli acciai per cuscinetti cementati concentrano la durezza massima nella zona interessata dal contatto volvente e mantengono al di sotto un nucleo più tenace e con un tenore di carbonio inferiore. Tra le qualità comuni per la cementazione figurano 16MnCr5 secondo la norma EN ISO 683-3, SAE 5120 e SAE 8620; la scelta specifica per i cuscinetti dipende comunque dal prodotto applicabile, dal disegno e dai requisiti qualitativi. La cementazione o la carbonitrurazione arricchisce la superficie, seguita da tempra e rinvenimento per produrre uno strato cementato martensitico. Il nucleo può mantenere un tenore di carbonio inferiore e risultare quindi più tollerante ai carichi d’urto, alla flessione e ai carichi che favoriscono la propagazione delle cricche rispetto a una sezione completamente temprata.

#### Avvertenza sulla profondità di cementazione

La profondità di cementazione deve essere selezionata in base alla distribuzione effettiva delle sollecitazioni di contatto e convalidata mediante un profilo di durezza. Un valore generico della profondità di cementazione non può stabilire prestazioni sicure a fatica.

Lo strato cementato deve essere sufficientemente profondo da contenere il campo delle tensioni di contatto rilevanti in funzione del carico, della geometria e delle condizioni di esercizio specificati. Non esiste un valore universale della profondità dello strato cementato che sia tecnicamente difendibile. Uno strato poco profondo può consentire alla regione di elevato taglio di raggiungere la transizione tra strato cementato e nucleo, dove cambiano durezza, tensioni residue e microstruttura. Uno strato più profondo aumenta i tempi di processo e può incrementare la deformazione, l’austenite trattenuta o le cricche correlate alla tempra se il trattamento non è adeguatamente controllato. La profondità dello strato cementato dovrebbe pertanto essere definita mediante profili di durezza, criteri di profondità efficace dello strato, distribuzione calcolata delle tensioni e convalida in condizioni di carico rappresentative, non attraverso un valore generico copiato da un altro cuscinetto.

La regione di transizione è importante quanto i valori nominali della superficie e del nucleo. Non dovrebbe contenere una debolezza netta causata da un’eccessiva precipitazione di carburi, da gradienti di carbonio, da prodotti di trasformazione teneri o da tensioni residue sfavorevoli. Un profilo adeguatamente progettato può posizionare una tensione residua di compressione vicino alla superficie, favorire la resistenza all’apertura delle cricche e mantenere un nucleo capace di assorbire energia d’urto. Tuttavia, il nucleo non sostituisce una corretta progettazione del contatto. Se una cricca inizia in corrispondenza di un’inclusione non metallica, di una bruciatura di rettifica, di un’ammaccatura superficiale o di un solco causato dalla contaminazione del lubrificante, la tenacità del nucleo potrebbe non impedire la fatica da contatto volvente.

La cementazione introduce inoltre un problema dimensionale. Lo strato arricchito di carbonio, la trasformazione durante la tempra e il successivo rinvenimento possono produrre variazioni del diametro, della rotondità e del profilo della pista. La deformazione è particolarmente importante negli anelli sottili, negli anelli di grandi dimensioni, nei contatti con bombatura e nei componenti che richiedono un controllo rigoroso del precarico o del gioco. I sovrametalli di lavorazione, la progettazione degli attrezzi di fissaggio, il controllo della tempra e la rettifica finale devono essere pianificati congiuntamente. L’architettura cementata ha valore meccanico solo se il cuscinetto finito conserva la geometria prevista.

### Criteri di scelta per carichi d’urto e di fatica

La scelta dipende dal percorso del carico, non da una graduatoria generale dei tipi di acciaio. Un acciaio martensitico o bainitico temprato a cuore è spesso appropriato quando la geometria del contatto è ben controllata, gli urti sono limitati, le dimensioni della sezione consentono un trattamento termico affidabile e il requisito principale è la resistenza a tensioni hertziane ripetute. Può fornire una struttura portante coerente e un concetto metallurgico più semplice. Ciò non lo rende immune alle inclusioni, ai cedimenti della lubrificazione o alla contaminazione.

La cementazione diventa interessante quando un anello per cuscinetti o un corpo volvente deve combinare uno strato di contatto altamente resistente con una maggiore tolleranza agli urti, ai carichi impulsivi, alla flessione o alla propagazione della frattura nella parte interna. I cuscinetti per trasmissioni automobilistiche, i cuscinetti di grandi dimensioni e le applicazioni con sovraccarichi transitori possono trarre vantaggio da questa separazione delle funzioni, purché la profondità dello strato cementato, la transizione e le proprietà del nucleo corrispondano al campo effettivo delle tensioni. Un nucleo tenace non può compensare una pista progettata in modo insufficiente, e uno strato cementato duro non può garantire la durata a fatica se la sua pulizia o la sua microstruttura sono inadeguate.

La geometria determina dove si concentrano le tensioni. La curvatura della pista, la conformità, il carico sui bordi, il contatto con la flangia, l’inclinazione del rullo, il precarico e la distribuzione del carico possono fare sì che il confine tra strato cementato e nucleo sia situato in sicurezza lontano dalla zona critica oppure costituisca una grave debolezza. La lubrificazione e la contaminazione modificano quindi il processo di danneggiamento: uno studio del 2024 del U.S. Department of Energy ha riferito che l’acqua disciolta o libera aumentava il micropitting e la criccatura da fatica da contatto volvente ed era associata alla presenza di white-etching matter alle interfacce delle cricche.

La capacità del materiale deve pertanto essere distinta dalla durata calcolata. ISO 281:2007, BS ISO 281:2007, Schaeffler e JTEKT forniscono il quadro per il calcolo della durata nominale; la durata modificata tiene inoltre conto della lubrificazione, della contaminazione, dell’affidabilità e del carico limite di fatica. L’architettura corretta è quella il cui profilo delle tensioni, livello di pulizia, microstruttura, controllo della deformazione e tolleranza alla frattura risultano compatibili con la geometria e le condizioni di esercizio del cuscinetto. La sola durezza nominale non può determinare questa scelta.

## Acciai per cuscinetti aerospaziali, resistenti alla corrosione e con superficie modificata

La norma ASTM STP 1327 colloca gli acciai aerospaziali, gli acciai resistenti alla corrosione e la modifica superficiale accanto ai temi centrali della pulizia dei cuscinetti, della produzione dell’acciaio, della tempra integrale, della cementazione, della durata dei cuscinetti e della fatica da contatto volvente. Questo raggruppamento è utile perché questi materiali non sono semplicemente versioni più resistenti del convenzionale acciaio per cuscinetti. Ciascuno affronta un vincolo di esercizio che può modificare il meccanismo di cedimento, il processo di fabbricazione o il calcolo della durata.

### Considerazioni sugli acciai per cuscinetti aerospaziali

I cuscinetti aerospaziali possono essere sottoposti ad alta velocità, scarsa alimentazione di lubrificante, ampie variazioni di temperatura, vibrazioni, vuoto o accesso limitato per la manutenzione. Il materiale deve quindi mantenere una durezza adeguata e la stabilità dimensionale, resistendo al contempo alla fatica da contatto volvente in presenza di una geometria di contatto rigorosamente controllata. Questi requisiti possono entrare in conflitto. La capacità di operare a temperature più elevate può richiedere una lega e una condizione di rinvenimento che riducono la durezza normalmente associata agli acciai per cuscinetti a temperatura ambiente; i progetti a bassa densità o resistenti alla corrosione possono imporre compromessi diversi in termini di modulo elastico, popolazione di carburi o trattamento termico.

Il convenzionale acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio rimane un materiale di riferimento. NTN identifica l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio come materiale standard per gli elementi volventi e le piste, mentre gli acciai martensitici o bainitici temprati integralmente costituiscono una delle principali famiglie di acciai per cuscinetti individuate nella rassegna del 2011 *Steels for bearings*. Gli acciai da cementazione costituiscono l’altra grande famiglia: uno strato superficiale duro sopporta il contatto, mentre un nucleo più tenace e più tenero lo sostiene. La scelta non viene effettuata sulla sola base della durezza nominale.

Per i gradi aerospaziali, la questione rilevante è il comportamento dell’intera microstruttura lungo la profondità sottoposta a sollecitazione. Nel 1987 NASA ha riferito che la durezza dell’acciaio per cuscinetti, l’austenite residua, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi influenzano tutti la durata a fatica degli elementi volventi. L’austenite residua può trasformarsi sotto l’effetto delle sollecitazioni di esercizio, modificando le dimensioni e le tensioni residue. Carburi grossolani, distribuiti in modo non uniforme o associati a inclusioni nocive possono agire da concentratori di tensione. Grani fini e un adeguato controllo dei carburi sono d’aiuto, ma nessuno dei due garantisce l’immunità dalla fatica.

La produzione dell’acciaio può essere più importante di una piccola variazione nella composizione nominale della lega. I processi sotto vuoto, compresa la fusione a doppio vuoto nelle applicazioni in cui è specificata, riducono la popolazione delle inclusioni non metalliche dannose e possono migliorare le prestazioni a fatica. L’ASM Handbook ha dichiarato nel 2014 che la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive costituiscono il singolo fattore più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. Questo risultato è particolarmente importante nelle applicazioni aerospaziali, nelle quali una piccola inclusione può determinare la durata di un componente altrimenti sottoposto a un trattamento termico accuratamente controllato.

La durata calcolata conserva un significato statistico definito. La norma ISO 281:2007 fornisce metodi per i coefficienti di carico dinamico e per la durata nominale di base dei cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità; la sua durata nominale di base corrisponde a un’affidabilità del 90%. La norma BS ISO 281:2007 ne costituisce l’adozione britannica. Nel 2024 Schaeffler definisce L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. JTEKT indica la stessa base del 90% per i cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti. La capacità del materiale per applicazioni aerospaziali non trasforma L10 in un intervallo di manutenzione garantito. La durata corretta deve tenere conto della lubrificazione, della contaminazione, dell’affidabilità e del carico limite di fatica, oltre che del carico, della velocità e della tensione di contatto.

### Acciai per cuscinetti resistenti alla corrosione

L’acciaio per cuscinetti resistente alla corrosione è destinato ad ambienti caratterizzati da acqua, condensa, fluidi di processo e atmosfere aggressive, ma la resistenza alla corrosione generalmente consuma una parte dello spazio compositivo utilizzato per ottenere elevata durezza e resistenza alla fatica. Un grado inossidabile per cuscinetti ricco di cromo, come AISI 440C, designato [X105CrMo17](/it/materiali/numero-materiale/1.4125 " — composizione, corrispondenze e norme") nella norma EN 10088-3, può essere temprato ottenendo una struttura adatta ai cuscinetti; tuttavia, le sue prestazioni dipendono dalla qualità della fusione, dal controllo dei carburi, dal trattamento termico, dalla finitura superficiale e dall’effettivo ambiente corrosivo. Il termine “inossidabile” descrive la resistenza in un ambiente specificato, non l’assenza di corrosione in tutte le condizioni di esercizio dei cuscinetti.

Le stesse variabili di sistema rimangono attive. I cloruri possono produrre vaiolatura corrosiva localizzata, e una cavità di corrosione costituisce un grave concentratore di tensione superficiale in un contatto volvente. L’acqua presente nel lubrificante crea un ulteriore percorso di danneggiamento. Uno studio del 2024 indicizzato dall’Office of Scientific and Technical Information del Department of Energy degli Stati Uniti ha rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava la micropitting e la formazione di cricche da fatica da contatto volvente ed era associata a materiale a corrosione bianca alle interfacce delle cricche. Una lega resistente alla corrosione non può compensare un lubrificante contaminato, una tenuta inadeguata, una finitura superficiale scadente o una tensione di contatto eccessiva.

Il servizio sotto vuoto e a temperatura elevata comporta compromessi correlati. Nel vuoto, la scelta del lubrificante e il degassamento possono governare il sistema più dell’identificazione stessa dell’acciaio. A temperatura elevata, la stabilità al rinvenimento, la variazione dimensionale, la trasformazione dell’austenite residua e il degrado del lubrificante diventano aspetti centrali. Un grado con durezza sufficiente a temperatura ambiente può perdere una parte significativa della propria resistenza alla fatica dopo un’esposizione prolungata, se la sua microstruttura cambia. Al contrario, una lega selezionata per la stabilità alle alte temperature può richiedere carichi di contatto diversi o un modello di durata differente. La selezione del materiale deve quindi specificare l’intervallo di temperatura, l’atmosfera, il lubrificante, la pressione di contatto e la tolleranza dimensionale, anziché limitarsi a indicare un acciaio inossidabile o aerospaziale.

### Modifica superficiale e alterazione dei meccanismi di cedimento

La modifica superficiale cambia le condizioni dello strato prossimo alla superficie: durezza, tensioni residue, attrito, rugosità, resistenza all’usura o comportamento alla corrosione. La cementazione modifica il profilo di durezza e colloca un nucleo tenace sotto lo strato cementato indurito. La nitrurazione introduce uno strato indurito arricchito di azoto. Altri trattamenti possono modificare la chimica superficiale o produrre uno strato depositato, ma il loro effetto deve essere descritto mediante lo spessore misurato, l’adesione, la rugosità, le tensioni residue e la compatibilità con il lubrificante.

Questi trattamenti possono spostare il sito critico di cedimento. Una superficie più dura può ridurre la deformazione plastica e alcuni fenomeni di usura; tuttavia, uno strato composto fragile, una bruciatura da rettifica, un’interfaccia difettosa o una tensione residua di trazione possono avviare la formazione di cricche. Una superficie modificata può inoltre cambiare la trazione e lo slittamento, alterando la generazione di calore o il comportamento alla micropitting. Se uno strato si consuma completamente, il substrato esposto può presentare durezza e comportamento alla corrosione diversi da quelli della superficie trattata.

Il trattamento superficiale non costituisce quindi automaticamente un sostituto dell’acciaio pulito o del trattamento termico corretto. Un’inclusione situata sotto la zona trattata rimane un’inclusione; una pista deformata continua a produrre una geometria di contatto errata; e un lubrificante contaminato dall’acqua può ancora favorire la micropitting e la fatica da contatto volvente. La durata nominale di base secondo ISO 281:2007 non deve essere interpretata come un riconoscimento universale a favore di un rivestimento o di un trattamento. L’affermazione attendibile è più circoscritta: uno specifico processo superficiale può migliorare un particolare meccanismo di danneggiamento in presenza di carichi, lubrificazione, temperatura e condizioni di contaminazione convalidate, introducendo o rendendo al contempo evidente un’altra modalità di cedimento.

## Come diagnosticare un cedimento per fatica di un cuscinetto

Un’indagine su un cedimento del cuscinetto dovrebbe iniziare prima che il cuscinetto venga pulito, fatto ruotare o sezionato. Conservare l’assieme nello stato in cui è stato rinvenuto, fotografarne la posizione e contrassegnare la direzione del carico, il senso di rotazione e le posizioni dell’anello interno, dell’anello esterno, degli elementi volventi, della gabbia, delle tenute e del lubrificante. Un cuscinetto spostato può perdere gli elementi di prova che consentono di distinguere un evento di esercizio da una cricca di origine metallurgica.

![Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente](/images/uploads/cf5686d7-2f32-4018-9b0d-8b3d226c9724/wiki-inline-a-bearing-failure-investigation-setup-with-a-damaged-steel-bearing-microscope-se-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/cf5686d7-2f32-4018-9b0d-8b3d226c9724/wiki-inline-a-bearing-failure-investigation-setup-with-a-damaged-steel-bearing-microscope-se-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Acciai per cuscinetti e fatica da contatto volvente")Failure analysis traces the origin and growth path of damage rather than relying on hardness alone.

Categorie di evidenze per distinguere i difetti del materiale dalle cause operative.
| Area d’indagine | Evidenze da raccogliere | Cosa può contribuire a distinguere |
|---|---|---|
| Mappa dei danni | Sfaldamenti, micropitting, impronte, sbavature, cricche e posizione della zona caricata | Danni originati dalla superficie, fatica sotto-superficiale, contaminazione o disallineamento |
| Lubrificante e contaminazione | Acqua, conteggio delle particelle, viscosità, ossidazione, metalli d’usura, tenute | Cedimento della lubrificazione, danni da detriti o deterioramento associato all’acqua |
| Geometria e installazione | Gioco, precarico, accoppiamenti, eccentricità, spallamenti, allineamento | Carico sui bordi, concentrazione del carico, danni di montaggio o deformazione |
| Metallografia | Matrice, inclusioni, carburi, austenite residua, profondità di cementazione | Innesco delle cricche di origine materiale o anomalie del trattamento termico |

La prima domanda non è: «L’acciaio aveva una durezza sufficiente?». È: «Dove è iniziato il danneggiamento, come si è propagato e quali tensioni hanno agito in quel punto?». La fatica da contatto volvente è il risultato dell’interazione di un sistema. Geometria del contatto, distribuzione del carico, lubrificazione, contaminazione, allineamento, finitura superficiale, trattamento termico, inclusioni e storia produttiva possono produrre segni simili.

ISO 281:2007 e la relativa adozione britannica, BS ISO 281:2007, definiscono i coefficienti di carico dinamico calcolati e la durata nominale di base per i cuscinetti volventi realizzati in acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità. La durata nominale di base è associata a un’affidabilità del 90%, ovvero L10. Anche la descrizione del 2024 di Schaeffler definisce L10 come il numero di giri raggiunto o superato dal 90% di cuscinetti apparentemente identici prima delle prime indicazioni di fatica del materiale. Questa definizione statistica non prevede che ogni cuscinetto ceda allo stesso chilometraggio calcolato e non identifica la causa di un singolo cedimento.

### Evidenze visive e dimensionali

Registrare il modello di danneggiamento a basso ingrandimento prima di rimuovere i depositi. Riportare su un disegno o su un sistema di coordinate le aree sfogliate, i micropitting, le strisciature, i grippaggi superficiali, gli scolorimenti, le impronte, le cricche, il distacco per sfogliatura, i danni alla gabbia e i segni di falsa brinellatura. Annotare se il danneggiamento è centrato nella zona caricata, concentrato su una spalla, ripetuto alla distanza tra gli elementi volventi, confinato a un solo bordo assiale o distribuito lungo l’intera pista. Il modello spesso fornisce più informazioni della cavità di maggiori dimensioni.

Misurare il diametro della pista, la rotondità, l’ondulazione, la geometria delle spalle, la variazione del diametro dei rulli, le dimensioni delle flange, il gioco interno radiale e assiale e, ove applicabile, il precarico. Confrontare le misure con il disegno e con le tolleranze del costruttore del cuscinetto. Verificare gli accoppiamenti tra albero e alloggiamento, le spalle di appoggio, l’eccentricità, la perpendicolarità e la presenza di segni di fretting. Una pista usurata o danneggiata su un solo bordo può indicare un disallineamento o una deformazione dovuta al montaggio, anziché un’insufficiente resistenza dell’acciaio.

Ispezionare la superficie con illuminazione radente e ingrandimento calibrato. Impronte nette, all’incirca circolari, con labbri rialzati indicano il passaggio di detriti duri attraverso il contatto. Un’impronta può diventare un concentratore locale di tensione e generare successivamente un’area sfogliata per fatica, facendo assomigliare il danneggiamento da detriti a un cedimento iniziato in corrispondenza di un’inclusione. Impronte ripetute a intervalli regolari corrispondenti agli elementi volventi indicano una contaminazione, mentre una singola impronta di grandi dimensioni può derivare da un danneggiamento durante il montaggio o da un urto a cuscinetto fermo.

Prelevare il lubrificante dal cuscinetto, dall’alloggiamento, dal filtro, dal punto di scarico e dal tappo magnetico. Registrare il grado di viscosità, il pacchetto di additivi, l’intervallo di sostituzione, la quantità, la temperatura di esercizio e le modalità di rabbocco. Quando i campioni sono ancora disponibili, eseguire prove per determinare il numero di particelle, la presenza di acqua, l’ossidazione, la variazione di viscosità e i metalli di usura. Registrare la velocità, lo spettro di carico, gli eventi d’urto, il ciclo di lavoro, la temperatura, la data di montaggio, le ore di esercizio e qualsiasi sovraccarico o grippaggio. La contaminazione da acqua merita particolare attenzione: studi sperimentali riferiti dal U.S. Department of Energy nel 2024 hanno associato l’acqua disciolta o libera a un aumento del micropitting e delle cricche da fatica da contatto volvente, inclusa la presenza di materia ad attacco bianco alle interfacce delle cricche.

Ispezionare le tenute, gli sfiati, gli schermi, i percorsi di spurgo del grasso e i giunti dell’alloggiamento. L’ingresso di sporco, la condensa e le operazioni di lavaggio possono avere un’importanza maggiore rispetto alla specifica nominale del lubrificante. Un film lubrificante troppo sottile per il contatto, a causa di bassa viscosità, temperatura elevata, alimentazione insufficiente o velocità eccessiva, aumenta l’interazione tra le asperità e la formazione di cricche originate in superficie. Una superficie danneggiata può quindi nascondere il problema di lubrificazione originario.

### Esame metallografico e frattografico

Dopo la documentazione, sezionare la regione interessata attraversando la presunta origine della cricca e una zona di confronto non danneggiata. Non asportare l’origine durante la pulizia. Utilizzare inizialmente un metodo di pulizia con solvente a bassa azione meccanica, conservare le particelle libere per l’analisi e predisporre un piano di sezionamento che preservi la superficie e il percorso della cricca, sia superficiale sia subsuperficiale.

Esaminare le sezioni trasversali lucidate e attaccate metallograficamente mediante microscopia ottica e, ove necessario, microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a dispersione di energia. Determinare se il cuscinetto è realizzato in acciaio martensitico o bainitico temprato a cuore oppure in acciaio cementato, con uno strato superficiale più duro sopra un nucleo più tenero. NTN identifica l’«acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio» come materiale standard per elementi volventi e piste; tra le specifiche comuni figurano SAE 52100 e i relativi equivalenti nazionali, ma la valutazione deve essere basata sul certificato effettivo del materiale e sulla designazione riportata nel disegno.

Misurare la profondità dello strato cementato, il gradiente di durezza, la durezza del nucleo, l’austenite residua, la dimensione dei grani di austenite precedente, la dimensione e la distribuzione dei carburi, la decarburazione e la segregazione. Nel 1987 NASA ha riferito che durezza, austenite residua, dimensione dei grani e dimensione, numero e area dei carburi influenzano la durata a fatica degli elementi volventi. Queste variabili costituiscono elementi di prova, ma non consentono da sole una diagnosi conforme o non conforme. Un rilievo della durezza può evidenziare un trattamento termico errato, ma un valore di durezza soddisfacente non può dimostrare che l’acciaio fosse pulito o che il cuscinetto abbia operato in condizioni di esercizio accettabili.

Individuare le inclusioni non metalliche rispetto all’origine della cricca. Utilizzare la metallografia e, quando necessario, l’analisi automatizzata delle inclusioni o la SEM-EDS per distinguere ossidi, solfuri, silicati, nitruri, carburi e particelle legate al processo produttivo. L’ASM Handbook (ASM International, 2014) identifica la pulizia dell’acciaio e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore più importante, dopo una microstruttura adeguata, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. Una cricca subsuperficiale che si irradia da un’inclusione grande o angolare, con una progressione a fatica verso la pista, supporta un meccanismo di origine metallurgica. Ciò non esclude, tuttavia, un sovraccarico di contatto o una lubrificazione insufficiente che abbiano aumentato la tensione locale.

La frattografia dovrebbe distinguere una progressione regolare della fatica, superfici di cricca sfregate, faccette fragili, un sovraccarico duttile e uno strappo adesivo. Le cricche originate in superficie spesso si collegano a micropitting, impronte o materiale strisciato. Le cricche subsuperficiali possono formarsi attorno a inclusioni o agglomerati di carburi. La materia ad attacco bianco può comparire lungo alcune interfacce di cricca, comprese quelle dei cedimenti associati all’acqua, ma la sua sola presenza non identifica l’acqua come causa iniziale.

### Distinguere i difetti del materiale dalle cause di esercizio

Separare le osservazioni in tre colonne: fatti accertati, meccanismi plausibili e ipotesi non verificate. Per esempio, «area sfogliata sul bordo della zona caricata» è un’osservazione; «disallineamento» è un meccanismo; «la deformazione dell’alloggiamento ne è stata la causa» è un’ipotesi, finché eccentricità, accoppiamento e documentazione di montaggio non la supportino.

Le evidenze relative al materiale diventano più solide quando diversi risultati concordano: un’inclusione all’origine della cricca, un contenuto anomalo di inclusioni, segregazione, reticoli di carburi, una profondità dello strato cementato errata o una condizione di trattamento termico al di fuori delle specifiche. La storia del processo produttivo è importante. La pubblicazione *Steels for Bearings* (2011) distingue gli acciai martensitici o bainitici temprati a cuore dagli acciai cementati e sottolinea l’avvio della fatica legato alle inclusioni. NASA ha inoltre riferito che processi quali la fusione sotto doppio vuoto possono influenzare la durata a fatica più fortemente della sola composizione chimica.

Le evidenze relative all’esercizio diventano più solide quando il danneggiamento corrisponde ai dati di servizio: campi di impronte associati a detriti compatibili, carico sul bordo con disallineamento misurabile, carenza di lubrificante con superfici strisciate o surriscaldate oppure esposizione all’acqua con micropitting e reti di cricche. Possono coesistere diverse cause. Un acciaio pulito può cedere sotto una tensione di contatto eccessiva, mentre un cuscinetto privo di inclusioni può essere danneggiato dalla contaminazione prima che si sviluppi la fatica classica.

Infine, confrontare il cedimento osservato con la durata calcolata, ma non trattare il calcolo come un verdetto forense. JTEKT afferma che il coefficiente di carico dinamico di base rappresenta la capacità nei confronti della fatica volvente e che L10 corrisponde a un’affidabilità del 90% per cuscinetti realizzati con acciai per cuscinetti specificati o materiali equivalenti. La durata corretta incorpora effetti quali lubrificazione, contaminazione, affidabilità e carico al limite di fatica. Una fotografia, un singolo valore di durezza o un calcolo L10 non possono stabilire la causa principale. La conclusione dovrebbe basarsi sulla mappa del danneggiamento, sulla storia di esercizio, sui controlli dimensionali, sulla microstruttura delle sezioni, sulla morfologia delle cricche e sulle evidenze che dimostrino che le spiegazioni alternative sono state verificate.

## Un Quadro Basato sulle Norme per il Confronto degli Acciai per Cuscinetti

### Che cosa ISO 281 può e non può confrontare

La norma ISO 281:2007 fornisce un quadro di calcolo per i carichi dinamici nominali dei cuscinetti volventi e per la durata nominale di base. La durata nominale di base, L10, è il numero di giri che il 90% di cuscinetti apparentemente identici dovrebbe raggiungere o superare prima della comparsa delle prime indicazioni di fatica del materiale. La norma BS ISO 281:2007 è l’adozione britannica della stessa norma. Si tratta di una definizione statistica, non della promessa che ogni cuscinetto raggiungerà il numero indicato.

Il calcolo parte dalla geometria del cuscinetto, dal carico, dalla velocità e dal carico dinamico nominale di base applicabile. È quindi utile per confrontare due progetti di cuscinetto in condizioni operative definite. JTEKT descrive il carico dinamico nominale di base come una misura della capacità di resistere alla fatica volvente, mentre Schaeffler definisce L10 utilizzando la stessa base di affidabilità del 90%. Nessuna delle due descrizioni significa che un cuscinetto realizzato con un acciaio più duro abbia automaticamente una durata calcolata maggiore. Il valore nominale dipende dal sistema del cuscinetto e dalle ipotesi alla base del calcolo.

La norma ISO 281:2007 non è inoltre una norma di qualificazione dei materiali. Non certifica un ciclo di trattamento termico, non specifica una popolazione accettabile di inclusioni, non verifica la stabilità dell’austenite residua e non dimostra che uno specifico processo di produzione dell’acciaio resisterà ai danni in esercizio. Il calcolo della durata nominale di base è associato a cuscinetti volventi fabbricati con acciaio per cuscinetti temprato di alta qualità, ma la “alta qualità” deve essere dimostrata attraverso controlli del materiale e ispezioni, non dedotta soltanto dalla designazione nominale della qualità.

La durata nominale corretta rende più chiara la distinzione. A seconda del metodo di calcolo e dell’implementazione del produttore, i fattori correttivi tengono conto di lubrificazione, contaminazione, affidabilità e carico relativo al limite di fatica. Questi fattori considerano condizioni di esercizio che il valore di base L10 non rappresenta pienamente. Anche la geometria del contatto e la distribuzione del carico sono importanti: il carico sui bordi, il disallineamento e la distribuzione non uniforme del carico sugli elementi volventi possono aumentare la tensione locale anche quando il carico di catalogo rimane invariato. Lo spessore del film lubrificante, la viscosità, la chimica degli additivi, i detriti e l’acqua determinano se la tensione calcolata nel sottosuolo agisce in un contatto relativamente pulito o su una superficie danneggiata da micropitting.

Un’equazione standard della durata non può distinguere due colate di acciaio nominalmente identiche, a meno che i loro diversi stati metallurgici non siano inclusi nei dati di ingresso o nelle prove di qualificazione. Questa limitazione è decisiva. ISO 281 confronta la capacità calcolata del cuscinetto secondo un modello definito; non stabilisce una graduatoria per ogni possibile condizione dell’acciaio durante l’esercizio.

### Specifiche dei materiali rispetto alle prove delle prestazioni

Una specifica del materiale stabilisce come dovrebbe essere un acciaio. Può definire la composizione chimica, le variazioni ammissibili, i requisiti di pulizia, le proprietà meccaniche, il trattamento termico o i metodi di ispezione. Non stabilisce automaticamente la durata a fatica da contatto volvente in uno specifico progetto di cuscinetto.

I materiali comuni per cuscinetti illustrano il punto. NTN identifica l’acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio come materiale standard per gli elementi volventi e le piste. Una qualità a tempra passante come AISI 52100, designata anche come 100Cr6 nei sistemi europei correlati alle norme EN e ISO, appartiene alla famiglia martensitica a tempra passante quando viene lavorata nella consueta condizione per cuscinetti. Altri acciai per cuscinetti sono qualità bainitiche a tempra passante, mentre gli acciai da cementazione producono uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenace e più morbido. La rassegna del 2011 *Steels for bearings* distingue queste due famiglie principali e sottolinea che le inclusioni possono costituire l’innesco di cricche da fatica da contatto volvente.

Queste designazioni non descrivono la microstruttura completa. La durezza è soltanto una delle misurazioni possibili. Il rapporto NASA pubblicato nel 1987 ha individuato la durezza, l’austenite residua, la dimensione dei grani e la dimensione, il numero e l’area dei carburi come fattori che influenzano la durata a fatica degli elementi volventi. L’austenite residua può trasformarsi durante l’esercizio, modificando le dimensioni e le tensioni residue. Carburi eccessivi o distribuiti in modo non corretto possono creare concentrazioni di tensione, mentre una dissoluzione inadeguata dei carburi può modificare il carbonio disponibile per la matrice. Anche la dimensione dei grani, il rinvenimento della martensite e la morfologia bainitica influenzano la risposta locale sotto un contatto volvente.

La pulizia dell’acciaio merita particolare attenzione. Il capitolo sugli acciai per cuscinetti dell’ASM Handbook, pubblicato nel 2014, identifica la pulizia e l’assenza di inclusioni non metalliche nocive come il fattore singolo più importante, dopo una microstruttura idonea, per ottenere un’elevata durata a fatica da contatto volvente. Un’inclusione di ossido, solfuro o complessa può agire da concentratore di tensione a una profondità raggiunta dalla massima tensione di taglio alternata. Le sue dimensioni, forma, composizione, posizione e la microstruttura circostante influenzano tutte la possibilità che si inneschi una cricca. Una tabella della composizione chimica non può rivelare tale distribuzione.

Il processo di produzione può quindi essere più importante di una piccola modifica della lega. La fusione sotto vuoto, la rifusione elettroscoriata, la fusione a doppio vuoto, la riduzione mediante forgiatura, la ricottura di sferoidizzazione, la cementazione, la tempra e il rinvenimento influenzano ciascuno la popolazione dei difetti o la microstruttura. NASA ha riferito che processi come la fusione a doppio vuoto potevano influenzare la durata a fatica più fortemente della sola composizione chimica. ASTM STP 1327 colloca questi aspetti nel più ampio contesto tecnico della pulizia, della produzione dell’acciaio, della tempra passante, della cementazione, degli acciai aerospaziali, degli acciai resistenti alla corrosione, della modifica superficiale e della durata dei cuscinetti.

Le prove delle prestazioni devono corrispondere all’uso proposto. Una prova di laboratorio di fatica da contatto volvente su provini lucidati può isolare la qualità dell’acciaio, mentre un cuscinetto in esercizio è sottoposto a carichi variabili, disallineamento, degrado del lubrificante, detriti e danni di installazione. Le prove sperimentali sono preziose, ma la geometria del provino, il livello di tensione, la frequenza, il lubrificante e il criterio di cedimento devono essere indicati prima di trasferire il risultato a un cuscinetto di produzione. La contaminazione da acqua fornisce un chiaro avvertimento: un lavoro sperimentale diffuso nel 2024 attraverso il U.S. Department of Energy ha rilevato che l’acqua disciolta o libera aumentava il micropitting e la formazione di cricche da fatica da contatto volvente ed era associata alla presenza di *white-etching matter* alle interfacce delle cricche. Questo risultato non può essere ridotto a un confronto della durezza.

### Un elenco di controllo tecnico pratico

#### Elenco di verifica per il confronto degli acciai per cuscinetti

- **Grado e norma** Registrare la designazione esatta, la norma applicabile, la forma del prodotto, il fornitore, la colata e il lotto.
- **Ciclo di produzione dell’acciaio** Documentare la fusione in aria, VIM, VAR, la rifusione elettroscoria o il trattamento a doppio vuoto.
- **Pulizia** Richiedere le classificazioni delle inclusioni, il metodo di prova, il tipo, la dimensione e la distribuzione delle inclusioni.
- **Trattamento termico** Registrare austenitizzazione, tempra, rinvenimento, austenite residua, dimensione dei grani e stato dei carburi.
- **Superficie di contatto finita** Controllare rugosità, ondulazione, danni di rettifica, rotondità, tensioni residue e geometria dei bordi.
- **Condizioni operative** Confrontare carico, velocità, temperatura, film lubrificante, acqua, particelle, gioco, precarico e allineamento.

Un confronto difendibile dovrebbe riportare l’esatta designazione della qualità e la norma di riferimento del materiale, non semplicemente “acciaio per cuscinetti” o “acciaio al cromo”. Occorre indicare se il componente è realizzato in AISI 52100, 100Cr6, in una qualità da cementazione specificata o secondo un’altra designazione, identificando inoltre la forma del prodotto e la tracciabilità della colata o del lotto presso il fornitore.

Occorre registrare il processo di produzione dell’acciaio: fusione convenzionale in aria, fusione a induzione sotto vuoto, rifusione elettroscoriata, rifusione ad arco sotto vuoto oppure processo a doppio vuoto. È necessario richiedere le valutazioni delle inclusioni e il metodo di ispezione, comprese le inclusioni di maggiori dimensioni osservate, il tipo di inclusione e la distribuzione. Le dichiarazioni sulla pulizia prive di un metodo di prova sono difficili da confrontare.

La documentazione del trattamento termico dovrebbe includere temperatura e durata dell’austenitizzazione, mezzo di tempra, ciclo di rinvenimento, condizioni di trasformazione bainitica ove applicabili e durezza misurata attraverso la sezione. Occorre aggiungere il tenore di austenite residua e il relativo metodo di misurazione, la dimensione dei grani, la descrizione della martensite o della bainite, nonché la dimensione, il numero, la frazione areica e la distribuzione dei carburi. Per i componenti cementati, occorre registrare la profondità dello strato cementato o carbonitrurato, la profondità efficace dello strato, il profilo del carbonio superficiale, la durezza del nucleo e il profilo di transizione.

Successivamente, occorre esaminare il contatto realizzato. La finitura superficiale, l’ondulazione, le bruciature di rettifica, la tensione residua, la rotondità, la forma della pista e la geometria dei bordi possono modificare la trazione e la tensione locali. La documentazione delle condizioni operative dovrebbe identificare lo spettro di carico, la velocità, la temperatura, il regime di lubrificazione, la viscosità, l’invecchiamento del lubrificante, la chimica degli additivi, il contenuto d’acqua e la contaminazione da particelle solide. Occorre includere anche la filtrazione e i controlli della pulizia, invece di considerare sufficiente il solo tipo di lubrificante.

Infine, occorre verificare la distribuzione del carico e le condizioni applicative: carichi radiali e assiali, precarico o gioco, disallineamento, accoppiamenti tra albero e alloggiamento, metodo di installazione, vibrazioni e sovraccarichi transitori. È necessario confrontare il calcolo dichiarato secondo ISO 281:2007 con le ipotesi relative alla durata corretta e con le prove specifiche sul cuscinetto o con i dati ottenuti sul campo.

Le norme di calcolo, le norme sui materiali, i manuali tecnici e gli studi sperimentali rispondono a domande diverse. ISO 281 fornisce un quadro per la valutazione della durata; le norme sui materiali definiscono o controllano lo stato dell’acciaio; i manuali organizzano le conoscenze consolidate sulla metallurgia e sui meccanismi di cedimento; gli esperimenti sottopongono a prova materiali e variabili di esercizio specifici. Nessuno di questi elementi sostituisce gli altri. Un ragionamento affidabile sulla durata dei cuscinetti richiede di collegare i calcoli basati sulle norme alla metallurgia verificata e alle effettive condizioni di esercizio.

## Riferimenti

1. \[1\] NASA. [Bearing Steels](https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560). NASA Technical Reports Server, 1987. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-1) https://ntrs.nasa.gov/citations/19870002560
2. \[2\] U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information. [Effects of Water Contamination on Micropitting and Rolling Contact Fatigue of Bearing Steels](https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels). OSTI, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-2) https://www.osti.gov/biblio/2423201-effects-water-contamination-micropitting-rolling-contact-fatigue-bearing-steels
3. \[3\] ASM International. [Bearing Steels](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext). ASM Handbook, 2014. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-3) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/16/chapter-abstract/246185/Bearing-Steels?redirectedFrom=fulltext
4. \[4\] International Organization for Standardization. [ISO 281:2007 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life](https://www.iso.org/standard/38102.html). International Standard, 2007. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-4) https://www.iso.org/standard/38102.html
5. \[5\] NTN. [Bearing Steel Technical Documentation](https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf). NTN Americas, 2020. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-5) https://ntnamericas.com/wp-content/uploads/2020/04/9012E.pdf
6. \[6\] Schaeffler. [Load Carrying Capacity and Life](https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life). Schaeffler Knowledge Center, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-6) https://medias.schaeffler.us/en/knowledge-center/rolling-bearings/load-carrying-capacity-and-life
7. \[7\] JTEKT. [Bearing Knowledge: Basic Dynamic Load Rating and Rating Life](https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html). JTEKT Bearing Knowledge, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-per-cuscinetti-e-fatica-da-contatto-volvente#wiki-cite-ref-7) https://koyo.jtekt.co.jp/en/support/bearing-knowledge/5-2000.html

 **Acciaio per cuscinetti in breve**

Grado comune

AISI 52100

Designazione europea

100Cr6

Famiglia tipica del materiale

Acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio

Modalità primaria di cedimento per fatica

Fatica da contatto volvente sotto-superficiale

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