Quando si progettano sistemi di fissaggio bisogna tener conto anche delle condizioni ambientali in cui saranno utilizzati, che possono rappresentare un fattore critico a sé stante anche indipendentemente dall’applicazione e dai materiali riceventi utilizzati. La temperatura, in particolare, può avere un impatto significativo sulle prestazioni e sulla durata dei fastener.
L’importanza della temperatura nei sistemi di fissaggio
Nell’articolo Le soluzioni per il fissaggio ad alta temperatura abbiamo già visto come le temperature elevate e l’esposizione al calore possono causare fenomeni come la dilatazione termica, il rilassamento e la comparsa di cricche dei materiali metallici, compromettendone la tenuta.
Tuttavia, anche il freddo può rappresentare una sfida complessa. Le temperature sotto lo zero possono compromettere la duttilità, la resistenza agli urti e la stabilità strutturale dei fastener, rendendo cruciale la scelta di materiali e trattamenti adatti a garantire affidabilità anche negli ambienti più ostili.
Le criticità dei sistemi di fissaggio in condizioni di basse temperature
Quando la temperatura scende sotto gli 0°C, i materiali utilizzati nei sistemi di fissaggio possono subire trasformazioni significative, con possibili impatti negativi sulla sicurezza e sulle prestazioni del giunto.
Alcune delle principali problematiche includono:
1. Transizione da comportamento duttile a fragile
Molti materiali metallici subiscono un cambiamento nella loro struttura molecolare quando esposti a basse temperature. Questo fenomeno, noto come Temperatura di Transizione Duttile-Fragile (DBTT – Ductile-to-Brittle Transition Temperature), porta il materiale a perdere elasticità e ad aumentare la tendenza alla frattura fragile sotto carico.
L’acciaio al carbonio di grado 2, ad esempio, non è adatto per applicazioni sotto lo zero, poiché diventa eccessivamente fragile. Per evitare problemi di rottura improvvisa, è essenziale selezionare materiali con una bassa DBTT, come gli acciai inossidabili austenitici con elevato contenuto di nichel.
2. Contrazione termica e perdita di precarico
A temperature molto basse, i materiali possono subire anche un restringimento dovuto alla contrazione termica. Questo fenomeno può influenzare la stabilità del fissaggio, causando:
- Allentamento del giunto dovuto alla riduzione della pressione di serraggio.
- Tensioni interne e deformazioni nei materiali riceventi, come leghe leggere e compositi.
Per contrastare questo problema, si possono impiegare fastener con coefficienti di dilatazione termica simili ai materiali riceventi o soluzioni con trattamenti superficiali e inserti elastici per compensare la contrazione.
3. Corrosione a basse temperature
Anche se il freddo rallenta le reazioni chimiche, alcuni fenomeni corrosivi si intensificano in ambienti freddi e umidi, come:
- Corrosione interstiziale, particolarmente critica nei giunti con microspaziature.
- Fragilità da idrogeno, dovuta all’accumulo di idrogeno nei materiali, con conseguente perdita di resistenza meccanica.
Per resistere alla corrosione in ambienti estremi, si tende a preferire l’uso di leghe di nichel e acciai inossidabili di alta qualità, oltre a trattamenti di passivazione e zincatura a caldo per proteggere il fastener nel tempo.
4. Affaticamento e impatti a basse temperature
In condizioni di freddo intenso, i materiali tendono anche a perdere capacità di assorbire energia. Ciò può portare a:
- Propagazione di microfessure dovuta a cicli di carico e scarico (fatica).
- Fratture improvvise sotto urti o vibrazioni.
Per applicazioni in cui il fastener è sottoposto a vibrazioni o urti (come nei settori aerospaziale, ferroviario e delle infrastrutture), è fondamentale selezionare materiali con elevata resilienza e trattamenti anti-fatica, come acciai legati al cromo-molibdeno.
Materiali consigliati per fastener in ambienti a basse temperature
Scegliere il materiale giusto è essenziale per garantire prestazioni affidabili in ambienti freddi. Ecco alcuni dei materiali più adatti:
1. Acciai inossidabili austenitici
- Elevata tenacità e resistenza meccanica a basse temperature
- Minore rischio di transizione fragile
- Ottima resistenza alla corrosione
2. Leghe di nichel e cobalto
- Eccellente resistenza alla corrosione e agli urti
- Mantenimento delle proprietà meccaniche fino a -200°C
- Impiegate in ambito aerospaziale e criogenico
3. Titanio e leghe di titanio
- Elevata resistenza specifica
- Resistenza alla fatica e agli ambienti estremi
- Bassa conducibilità termica, utile per applicazioni speciali
4. Materiali polimerici speciali
- Utilizzati per inserti e boccole di isolamento termico
- Ottima resistenza all’umidità e alle basse temperature
Rispetto degli standard di prova e delle certificazioni
In condizioni di utilizzo così severe e sfidanti anche il rispetto degli standard industriali è fondamentale per garantire l’affidabilità dei dispositivi di fissaggio. Standard come ASTM, DIN, ISO ed EN forniscono linee guida per le specifiche dei materiali, le proprietà meccaniche e le procedure di test.
La scelta di elementi di fissaggio con certificazioni pertinenti garantisce la conformità ai criteri rigorosi per le applicazioni a bassa temperatura.
Conclusioni
La scelta dei fastener per applicazioni in condizioni di basse temperature richiede una valutazione attenta di materiali, trattamenti, design e certificazioni per garantire resistenza, sicurezza e affidabilità nel tempo.
In particolare è importante tener conto di alcuni aspetti cruciali:
- Quali materiali vengono fissati insieme.
- Quali rivestimenti potrebbero essere necessari per il dispositivo di fissaggio.
- Quanto sarà umido, bagnato o secco l’ambiente.
- Quale funzione dovrà svolgere il dispositivo di fissaggio.
Specialinsert, grazie alla sua esperienza pluridecennale nella progettazione di sistemi di fissaggio innovativi, offre soluzioni adatte anche agli ambienti più estremi.
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