Failure Analysis su o-ring

RUBRICA | Come si è rotto? #04

TEC EUROLAB

#04

Failure Analysis su O-Ring

NUOVA RUBRICA | Come si è rotto?

L’oggetto

Un O-ring in gomma NBR (nitrile butadiene rubber) è una guarnizione a forma di anello realizzata in gomma sintetica NBR resistente agli oli, al carburante e ad altre sostanze chimiche. Viene utilizzato in una vasta gamma di contesti industriali per creare una tenuta ermetica tra due superfici o componenti, evitando perdite di fluidi o gas.

L’O-ring in gomma NBR trova impiego in settori come l’industria automobilistica, l’industria chimica, l’industria alimentare, l’industria petrolifera e gas, l’industria farmaceutica e molti altri. Viene utilizzato in applicazioni come motori, pompe, valvole, tubazioni e sistemi di tenuta.

 Le possibili modalità di failure di un O-ring in gomma NBR possono includere:

  • Compressione eccessiva: una compressione eccessiva può causare una deformazione permanente dell’O-ring, compromettendone la tenuta.
  • Espansione termica: l’esposizione a temperature elevate può portare all’espansione dell’O-ring, causando una riduzione della tensione e compromettendo la sua funzionalità.
  • Degrado chimico: l’O-ring in gomma NBR può essere danneggiato dalla corrosione chimica se viene esposto a sostanze incompatibili.
  • Usura e abrasione: l’attrito costante o l’abrasione dovuta al movimento o al contatto con altre superfici possono causare danni all’O-ring nel tempo.
  • Invecchiamento e deterioramento: nel corso del tempo, l’O-ring può subire deterioramento a causa dell’esposizione agli agenti atmosferici, alla luce UV e ad altre condizioni ambientali sfavorevoli.

Scopo dell’indagine

L’obiettivo delle seguenti indagini è determinare le possibili cause che potrebbero portare al deterioramento della guarnizione durante il funzionamento. I campioni ricevuti presentano differenti condizioni di danneggiamento e di condizionamento. L’indagine verterà sull’analisi ed il confronto delle caratteristiche dei diversi o-ring forniti. I campioni sono stati identificati come:

  • Nuovo Campione
  • Campione ok dopo 1.5 h di funzionamento
  • Campione secco del lotto danneggiato
  • Campione danneggiato

 Il componente funziona sigillando l’acqua su un elemento a scorrimento assiale, un pistone in ceramica di una pompa a pistoni.

Secondo le informazioni fornite dal cliente, si verifica una perdita di fluido (acqua) dopo pochi minuti di funzionamento. Inoltre, si osserva che questo rapido deterioramento non è molto identificabile unicamente dal punto di vista visivo.

Le analisi

I campioni sono stati sottoposti a diverse osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM). Le osservazioni sono state effettuate sulla superficie del diametro interno delle guarnizioni. Dalle osservazioni condotte, si è constatato che:

NUOVO CAMPIONE
La superficie del diametro interno di questo campione è intatta, caratterizzata dall’assenza di difetti di integrità come: crepe, porosità, inclusioni, ecc. La sezione trasversale del campione mostra che sotto lo strato sottile di gomma ci sono le fibre che compongono il tessuto di rinforzo in cotone (vedi immagini nella figura n° 2).

CAMPIONE OK DOPO 1,5H DI FUNZIONAMENTO
La superficie osservata mostra ancora lo strato di gomma nera su tutta la superficie. È importante notare che questo strato è appiattito, permettendo di apprezzare le fibre del rinforzo sottostante (vedi immagini nella figura n° 3).

CAMPIONE SECCO DEL LOTTO DANNEGGIATO
La superficie osservata mostra parzialmente lo strato di gomma. In alcune aree, la scomparsa del tessuto elastomerico permette di osservare le fibre del rinforzo sottostante. Questo fenomeno può essere correlato a un difetto di abrasione (vedi immagini nella figura n° 4).

CAMPIONE DANNEGGIATO
La superficie osservata risulta piuttosto consumata. Si osserva un fenomeno di abrasione nella zona vicino al lato superiore della guarnizione. In questa zona di abrasione è possibile vedere le fibre del rinforzo sottostante. Nella zona vicino al lato inferiore della guarnizione sono presenti strappi nello strato di gomma. Nell’area centrale della superficie in questione, ci sono alcune zone caratterizzate dall’assenza dello strato di gomma.

Nota: sulla superficie osservata di tutti i campioni trattati, non sono presenti difetti che possono essere correlati a un deterioramento/danno di tipo termico (materiale elastomerico degradato e comparsa di crepe).

Una parte dei campioni è stata analizzata mediante analisi spettrofotometrica FT-IR con la tecnica ATR (Attenuated Total Reflectance). Nella tecnica ATR, un cristallo ad elevato indice di rifrazione viene utilizzato per far interagire la radiazione infrarossa con la superficie del campione. Questo provoca un fenomeno di riflessione totale attenuata, in cui una parte della radiazione viene assorbita dal campione e genera uno spettro che può essere analizzato per identificare le componenti chimiche presenti

Gli spettri ottenuti sono mostrati nella figura seguente (vedi figura n° 6). Dalla comparazione tra gli spettri dei campioni, si è riscontrato che tutti gli spettri FT-IR sono correlati, in particolare nella zona di fingerprint dello spettro, entro la tolleranza della tecnica analitica utilizzata.

Dalla comparazione con le librerie di spettri, tutti gli spettri sono correlati alla gomma NBR e al cotone.

Sono state eseguite analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry) e TGA (Thermogravimetric Analysis) su una parte di ciascun campione. La DSC è una tecnica che misura i cambiamenti termici in un materiale, mentre la TGA studia la decomposizione termica e la perdita di peso in funzione della temperatura. Entrambe le tecniche forniscono informazioni sulla stabilità termica, la composizione e le reazioni termiche dei materiali.

I termogrammi DSC e TGA ottenuti sono mostrati nelle figure seguenti. ( vedi fig. 8, 9 e 14)

Una porzione di ogni residuo inorganico ottenuto tramite analisi TGA è stata osservata con il microscopio SEM per determinare la natura qualitativa dei filler.

 

Dall’EDS effettuato, si è riscontrato che i filler di tutti i campioni sono composti da ossigeno (O), alluminio (Al), silicio (Si), carbonio (C), zinco (Zn) e tracce di altri elementi come sodio (Na), calcio (Ca), ferro (Fe), titanio (Ti), magnesio (Mg), potassio (K) e zolfo (S). I filler del campione danneggiato e del campione asciutto mostrano anche tracce di rame (Cu). Le figure 15 e 18 mostrano gli spettri EDS rappresentativi di ciascun campione.

Infine, sono state condotte analisi di durezza di tipo Shore A, sia sulla parte superiore che sul diametro interno di ciascun o-ring fornito. Pur considerando indicative i valori ottenuti, che risultano influenzati dalla geometrie del campioni, in entrambe le posizioni analizzate non si riscontrano valori sostanzialmente diversi tra i diversi campioni, con valori medi di durezza valori sulla sezione superiore pari a 95±5 ShA. Si riscontra invece un aumento della durezza sul diametro interno nel CAMPIONE DANNEGGIATO e sul CAMPIONE OK DOPO 1,5H DI FUNZIONAMENTO (75±5 ShA), rispetto la valore di  64±5 ShA riscontrato nel campione nuovo.

Risultati

Dalle analisi effettuate su tutti i campioni, è emerso che sono composti da gomma NBR con rinforzo in tessuto di cotone. Le analisi FT-IR hanno mostrato similitudini tra il nuovo campione e quelli usati, inclusa l’anello danneggiato. La temperatura di transizione vetrosa (Tg) è compatibile con una gomma NBR ad alto contenuto di acrilonitrile. Le differenze tra i campioni includono una minore presenza di plastificante e una diversa frazione di carbonio nel nuovo campione. Inoltre, la durezza Shore A nell’area del diametro interno è inferiore nel nuovo campione. L’anello danneggiato presenta fenomeni di abrasione e lacerazione, con la rimozione dello strato di gomma NBR e l’esposizione delle fibre di rinforzo sulla superficie interna.

Conclusioni

Dai risultati ottenuti, i seguenti fattori potrebbero contribuire ai fenomeni di danneggiamento riscontrati sugli o-ring:

  • L’alto contenuto di acrilonitrile negli o-ring analizzati contribuisce a migliorare le caratteristiche di resistenza agli oli, resistenza alla trazione e resistenza all’abrasione, ma diminuisce la resistenza alla deformazione permanente della gomma. Di conseguenza, le gomme NBR con alto contenuto di acrilonitrile subiscono deformazioni permanenti maggiori.
  • L’aumento della durezza Shore A nell’area del diametro interno del campione danneggiato, rispetto a quanto riscontrato nel nuovo campione, indica che l’area danneggiata è stata sottoposta a temperature elevate. Teoricamente, la gomma NBR sottoposta a temperature superiori a 120°C subisce un indurimento.
  • Per quanto riguarda la frazione di carbonio degli anelli, quella che si degrada a temperature più basse potrebbe essere correlata alla presenza di grafite, mentre quella che si degrada a temperature più alte potrebbe essere correlata al carbon black. È importante notare che la grafite migliora le proprietà tribologiche dei materiali (aumenta la resistenza all’usura, all’abrasione e riduce il coefficiente di attrito), mentre il carbon black aumenta la durezza Shore A e la rigidità del materiale.

Dai punti sopra esposti, il fallimento dell’o-ring CAMPIONE DANNEGGIATO potrebbe essere correlato a:

  • Lavoro a secco ad alte temperature nell’area danneggiata del campione.
  • Il tipo di composto elastomerico utilizzato (alto contenuto di acrilonitrile e basso contenuto di grafite).

 

 

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