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Attività di Prevenzione nel Campo Manutentivo 16 ☛ CHIP DETECTOR e studio del particolato metallico Contatto tra le asperità della superficie Deformazione plastica della superficie Frantumazione dei cristalli sub-superficiali e formazione di una nuova fase solida duttile e facilmente deformabile di spessore inferiore al micrometro Perdita di coesione con la matrice che causa o il distacco della particella o lʼaumento dellʼarea interessata fino a compromettere il regolare accoppiamento dei pezzi (grippaggio). Fig. 5 - Usura adesiva Le parti meccaniche particolarmente esposte ad usura sono cuscinetti radenti, cuscinetti volventi, cambi ad ingranaggi, camma-punteria, freno ad attrito, contatti di interruttori elettrici. I meccanismi di formazione del particolato metallico. Pericolosità del processo In realtà lʼaccoppiamento che può generare usura può essere non solo tra solidi, ma anche tra Solido-Liquido, oppure tra Solido- Gas e quando il contatto è prolungato, la presenza delle particelle generatesi costituisce un ulteriore antagonista per lʼusura. In particolare nellʼaccoppiamento Solido-Solido, il più frequente tra i particolari aeronautici, il tipo di contatto cinematico può essere: - di strisciamento (analogo a quello di una lima su una superficie metallica); - di rotolamento (analogo a quello di uno pneumatico sullʼasfalto); - di urto (analogo a quello di uno scalpello sul marmo). E dallo stesso può generarsi un accoppiamento Solido-Particella- Solido il cui tipo di contatto può essere ancora una volta di strisciamento o rotolamento, ma anche di macinazione. Tali sollecitazioni innescano diversi meccanismi di cui cinque fondamentali[2][3][4]: - adesione (rubbing wear); - taglio o abrasione (cutting wear); - fatica (fatigue wear); - attacco chimico o tribossidazione (corrosive wear); - sfregamento (fretting). • Usura adesiva (fig. 5): è probabilmente il tipo di usura più diffuso ed è originato dallo scorrere lʼuna sullʼaltra di due superfici a durezza paragonabile. Il volume di usura è proporzionale alla distanza percorsa nello strofinio e al carico applicato, mentre è inversamente proporzionale alla durezza del materiale più tenero. La particella da usura per strofinio è generalmente piatta, di limitate dimensioni (circa 10μm ovvero 10 -5 m), lʼaspetto superficiale è liscio e regolare, tali dimensioni e morfologia sottolineano la natura “benigna”. Ma la situazione può divenire pericolosa per un contatto prolungato nel tempo con alti carichi su una superficie di entità considerevole con distacco di particelle fino a rischiare il grippaggio del sistema. • Usura da taglio o abrasione (fig. 6): sono essenzialmente due le modalità con cui si produce cutting wear, la prima generata da accoppiamento solido-solido e la seconda dovuta ad interazioni solido-particella-solido, particolarmente pericolosa. Hanno in questo caso importanza la geometria e le dimensioni delle asperità, poiché se notevoli, possono generare graffi profondi sulla superficie antagonista provocando il distacco di trucioli particolarmente lunghi. • Usura da fatica (fig. 7): questo tipo di usura si verifica su materiale sottoposto a sollecitazioni cicliche per applicazione di carichi alterni. Ove il limite a fatica viene superato si verificano delle estrusioni di materiale ed il progressivo propagarsi di crinature. Unʼusura tollerabile produce scaglie con dimensioni al di sotto dei 20μm ma, già per dimensioni di 50 - 100μm il processo può classificarsi pericoloso. Il processo può produrre anche sfere che sebbene piccole possono essere indizio di crinature comunque di considerevole entità. Questo tipo di usura non è impedita dallʼimpiego di film lubrificanti in quanto non connessa al contatto fisico ma allʼapplicazione di carichi e ne sono sensibili cuscinetti ed ingranaggi . • Usura da corrosione (fig. 8, nella pagina successiva): tutte le superfici metalliche sono esposte a fenomeni di corrosione per la naturale tendenza del metallo ad ossidarsi più o meno rapidamente. Il processo è tanto più pericoloso quanto più le misure di difesa, quali ad esempio rivestimenti protettivi, saltano, fenomeno che spesso accade per interferenza. Le particelle che si distaccano possono essere costituite da scaglie metalliche con prodotti di corrosione adesi alla superficie o, nei casi più gravi da soli ossidi. Fig. 7 - Usura da fatica • Superamento del limite di fatica • Deformazione plastica del materiale • Distacco progressivo e scorrimento dei piani cristallini • Formazione di crinature • Distacco di particelle per effetto della propagazione delle crinature • Rottura del pezzo • Le particelle presentano due morfologie distinte • Fatigue chunk: scaglie • Fatigue spere: sfere che sembrerebbero formarsi dalle scaglie che rimangono costrette nella crinature e vengono smussate fino ad assumere tale forma (tipica dei cuscinetti a rotolamento) Azione di taglio di sporgenze dure, createsi in fase di produzione dei particolari fusi o forgiati, su superfici tenere. Il volume di usura per abrasione presenta numerosi analogie con il volume di usura per adesione fatta eccezione per lʼimportanza della geometria delle asperità che in questo caso è preponderante. Fig. 6 - Usura da taglio o abrasione Questo tipo di corrosione è strettamente connessa ai parametri chimico - fisici del materiale ed allʼambente di esercizio: salinità ed acidità dellʼatmosfera, ma anche particolari additivi di lubrificanti e carburanti, innalzamento delle temperature di esercizio, assenza di lubrificazione, tensioni strutturali oltre alle caratteristiche intrinseche. • Usura da sfregamento: questo è un fenomeno frutto di più meccanismi combinati ed associati a moto oscillatorio di piccola ampiezza (es. vibrazioni). Lʼusura adesiva, in tali condizioni, genera particelle a loro volta responsabili di usura abrasiva che, spesso accompagnata da fenomeni corrosivi, genera fretting o fretting corrosion. Tutti questi meccanismi, quando non sono direttamente responsabili di danneggiamenti pericolosi o di rottura, sono comunque causa di disomogeneità e difetti che cambiano localmente le caratterisiche del particolare colpito e che come tale non è più rispondente alle caratteristiche previste da progetto minandone indirettamente lʼintegrità e fornendo inneschi per possibili rotture. Le parti meccaniche particolarmente esposte ad usura sono cuscinetti radenti, cuscinetti volventi, cambi ad ingranaggi, camma-punteria, freni ad attrito, contatti di interruttori elettrici[5][6]. Fatigue chunk: scaglia Fatigue spere: sfera Questo tipo di usura si verifica su materiale sottoposto a sollecitazioni cicliche per applicazione di carichi alterni. Attività di Prevenzione nel Campo Manutentivo 17 Sicurezza del Volo n. 271/2009 Sicurezza del Volo n. 271/2009
☛ CHIP DETECTOR e studio del particolato metallico Attività di Prevenzione nel Campo Manutentivo 18 Tecniche di campionamento e mezzi di indagine del particolato Le dimensioni delle particelle sono sintomo della severità del processo e la morfologia suggerisce il meccanismo del fenomeno; non rimane che identificare la composizione chimica per poterle associare al particolare dal quale si sono distaccate. Con tali elementi è possibile individuare univocamente: il particolare che si sta usurando, se si sta usurando più o meno pericolosamente ed in che modo. Ma quali mezzi la scienza ci mette a disposizione? Per ripercorrere cronologicamente la storia delle indagini sul particolato metallico si deve fare un salto nel passato di molti decenni. Lʼinteresse per i fenomeni di usura su componenti meccaniche di impiego aeronautico è legato essenzialmente allʼanalisi di particolato metallico disperso in oli lubrificanti. Per i primi studi dei fenomeni di usura era possibile affidarsi solo alla microscopia ottica per osservare in dettaglio la superficie di particelle comunque evidenti ad occhio nudo; negli anni ʻ70 è stata sviluppata una tecnica, la ferrografia, che permette lʼosservazione di particolato ferromagnetico di dimensioni tra 1 e decine di micrometri disperso negli oli lubrificanti basandosi sulla precipitazione selettiva in funzione della suscettività magnetica e delle dimensioni. Dove lʼaspetto chimico e il carattere di urgenza sono principali rispetto a quello morfologico, e più in generale di indagine, viene eseguita lʼanalisi spettrometrica (in “emissione” vengono analizzate le radiazione emesse dagli elementi metallici presenti nel campione Formazione di uno strato di ossido superficiale Asportazione dellʼossido e conseguente formazione della particella Formazione di un nuovo strato di ossido e reiterazione del meccanismo fino allʼassenza di contatto fisico tra le superfici opportunamente eccitato; in “assorbimento” vengono analizzate le radiazione assorbite dagli elementi metallici presenti nel campione volatilizzato) ed è il caso del programma S.O.A.P. (spectrometric oil analysis program) effettuato dai Laboratori Tecnici di Controllo - Servizio dei Supporti del Comando Logistico - sul particolato di dimensione tra 0,1 e unità di micrometri presenti negli oli lubrificanti degli aeromobili. Il problema dellʼintrappolamento delle particelle provenienti dallʼusura di parti meccaniche di primaria importanza è stato risolto installando chip detectors nel circuito di lubrificazione. I chip sono costituiti da sensori magnetici che trattengono particelle di grandezza tra i 10 μm e qualche millimetro. Le particelle che hanno provocato lʼattivazione del warning del chip si possono osservare al microscopio elettronico a scansione (S.E.M.) e analizzare per la determinazione della composizione elementare mediante spettroscopia a dispersione di energia (E.D.S.), (fig. 9) . Il sistema dei chip detectors correlato al suddetto sistema di analisi consente lʼacquisizione di immagini con ingrandimenti fino a decine di migliaia di volte per lo studio accurato della morfologia e lʼanalisi semi-quantitativa puntuale degli elementi chimici costituenti per risalire alla natura della particella. Le analisi SEM - EDS sono effettuate dal Gruppo Materiali Strutturali - Reparto Chimico C.S.V. Un caso esemplare ed alcuni dati degli ultimi cinque anni Fig. 8 - Usura da corrosione Il G.222 è un caso esemplare di indagine tecnica a scopo preventivo. Infatti per questo velivolo, ormai al termine del servizio operativo, è stato previsto il controllo on condition ovvero un “sistema di monitoraggio in servizio mediante analisi SOAP e controllo dei chip detector” per individuare la possibile incipiente rottura dei riduttori giri elica (rottura che causò due incidenti di volo). Il controllo, che è stato stabilito attraverso una apposita PTA (Prescrizione Tecnico Applicativa), è nato proprio con lo scopo di verificare la presenza, la quantità, la composizione elementare e le dimensioni del particolato. In base a tali parametri la PTA definisce dei provvedimenti da intraprendere che comprendono, nel caso estremo, la rimozione del motore per controlli accurati. Element Weight % Atomic % Si K 0,47 0,93 Cr K 12,41 13,15 Mn K 0,65 0,65 Fe K 85,93 84,76 Ni K 0,54 0,50 Commento: è stato esaminato n. 1 truciolo delle dimensioni di 6.5 mm riconducibile ad un acciaio del tipo AISI 410, la cui composizione è riportata in tabella. Fig. 9 - Report analisi SEM - EDS Dallʼentrata in vigore della PTA molti chip detector hanno segnalato anomalie ed alcuni motori sono stati, nel tempo, sbarcati e controllati, ma non si sono più verificate in volo avarie, o peggio, incidenti. Al giorno dʼoggi sono diversi i velivoli che prevedono il monitoraggio mediante chip detector di parti meccaniche di notevole importanza ed i sistemi di warning hanno dato il corretto allarme al verificarsi di anomalie su: EFA, Tornado, AMX, C.130/J, P.180, ATR-42, AB.212, AB.412. Sono 60 i chip detector pervenuti nei laboratori negli ultimi cinque anni e centinaia di migliaia le particelle osservate ed analizzate tanto che almeno una volta allʼanno, statisticamente, un motore deve essere sbarcato per presenza di particolato di natura pericolosa. Conclusioni Se lʼobiettivo principale della S.V. è quello di preservare le risorse e se la definizione della cultura S.V. è lʼinsieme di convincimenti, norme, atteggiamenti, pratiche tecniche e sociali mirate a minimizzare lʼesposizione delle persone appartenenti o meno allʼorganizzazione, a condizioni ritenute pericolose e dannose[7], quanto detto sulle potenzialità dello studio del particolato metallico proveniente da chip detector non può che essere considerato una corretta azione preventiva. Il monitoraggio nel tempo dello stato di salute di un singolo velivolo o la valutazione di più velivoli della stessa flotta è possibile attraverso i mezzi in possesso ed è quindi possibile monitorare lʼintero sistema operativo della Forza Armata e dei Reparti di Volo delle altre Forze Armate e dei Corpi di Stato. Lʼindividuazione tempestiva di un pericolo da usura (mediante le valutazioni sulla composizione, sulla morfologia, sulle dimensioni e sul numero di particelle prodotte dal fenomeno) può ridurre sensibilmente la probabilità che si verifichi il rischio di una rottura in volo. Le linee che si avvalgono dellʼimpiego di chip detector hanno uno strumento di prevenzione davvero efficace. Il potenziale di questo tipo di indagine tecnica può, attraverso la fattiva collaborazione tra le linee volo ed il Reparto Chimico, contribuire efficacemente alla operatività in sicurezza dellʼintera flotta. ❑ Bibliografia [1] J. Halling “Introduzione alla tribologia”. Ed. Tecniche Nuove [2] American society for metals “Foundamentals of friction and wear of materials”. [3] R. H. Wood, R. W. Sweginnis “Aircraft accident investigation”. [4] Col. Piero Silvestri “L’attività dei laboratori chimici dell’A. M.”; “Le particelle da usura”. [5] AGARD – CP-589 NATO “Tribology for aerospace system”. [6] A. Z. Szeri “Tribology friction, lubrication, and wear”. Ed. Mc.Graw Book Company [7] Col. F. Saverio Agresti Lezioni “Sicurezza Volo”. Attività di Prevenzione nel Campo Manutentivo 19 Sicurezza del Volo n. 271/2009 Sicurezza del Volo n. 271/2009
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