Engineering

Tipi di materiali

I materiali di interesse tecnologico si suddividono principalmente in tre classi: materiali metallici, materiali polimerici e materiali ceramici. Esistono inoltre due classi di lavorazione e di applicazioni: i materiali compositi ed i materiali per l'elettronica. Da non dimenticare i recenti sviluppi della scienza e della tecnologia ottenuti con i materiali denominati intelligenti o smart materials ed i nanomateriali che verranno approfonditi sul nostro blog www.ralph-dte.eu

 

Materiali metallici

Metalli e leghe vengono suddivisi in due classi: metalli e leghe ferrose (contenenti una gran percentuale di ferro, vedi gli acciai e le ghise), metalli e leghe non ferrose (con una percentuale bassissima o totale assenza di ferro, vedi l'alluminio, il rame, lo zinco, il titanio, il nichel. I metalli sono utilizzati abbondantemente nell'industria aerospaziale, biomedicale, dei semiconduttori, dell'elettronica, energetica, strutturale civile e dei trasporti.

Bielle in acciaio (motori 2 tempi)

Nel caso di bielle realizzate in un solo pezzo, ossia prive di testa smontabile, come ad esempio nei motori a 2 tempi, si adottano acciai da cementazione (C<0,2%). In questo tipo di biella si procede ai necessari trattamenti termici per indurire solo la sede del cuscinetto a rulli. Durante il trattamento termico di cementazione il resto del corpo della biella verrà protetto con una ramatura. Una delle principali leghe utilizzate per le bielle dei motori a 2 tempi è il 18NCD5.

Bielle in acciaio (motori 4 tempi)

Le bielle realizzate per oltrepassare la soglia dei 7500 giri al minuto sono realizzate in acciaio ed ottenute per stampaggio. Non vengono lavorate con macchine utensili per evitare la minima possibilità di pericolosi e microscopici intagli lasciati dagli utensili. Si tratta di un prodotto particolarmente raffinato, costoso e per tale ragione scelto per le vetture (anche stradali) più performanti. Per i motori più estremi si usano acciai da bonifica molto legati. La principale lega adottata sui motori stradali con elevate potenze è l'acciaio al Nichel Cromo Molibdeno. Sono acciai con un'ottima resistenza a fatica. Dopo lo stampaggio, la loro resistenza viene aumentata con il trattamento di pallinatura. Tale trattamento consiste nel porre la biella in una sorta di contenitore dove verranno sparate diverse sfere di diametro calibrato con lo scopo di colpire e quindi compattare la superficie della biella conferendole una maggiore resistenza. Una lega frequentemente usata per lo stampaggio di bielle in acciaio è: 30NiCrMo12 che può raggiungere un carico di rottura di circa 1100N/mm^2 (dopo aver eseguito gli opportuni trattamenti termici di tempra e rinvenimento).

Bielle in titanio

Nei motori da competizione si ricorre molto spesso a bielle in titanio, o meglio, in lega di titanio. La lega più utilizzata risulta essere il "Ti 6A 14V". Il vantaggio del titanio risiede in una maggiore leggerezza rispetto all'acciaio (anche se a scapito di un maggiore dimensionamento degli organi che si vanno a realizzare), pari resistenza a trazione degli acciai da bonifica, un buon valore dell'allungamento percentuale (14%). D'altronde si paga lo svantaggio di un minore limite di snervamento rispetto all'acciaio da bonifica. Come abbiamo visto, nella pagina relativa alle bielle in titanio, è necessario ricorrere a riporti di nitruri di titanio o di wolframio per evitare la tendenza del titanio stesso ad ingranare con i materiali adiacenti ossia con l'acciaio dell'albero motore e con l'acciaio delle viti che fissano i cappelli di biella.

Bielle in alluminio

Le bielle realizzate in alluminio (molto rare a causa del comportamento anisotropo delle fibre) possono essere ottenute per fusione o per stampaggio. La lega scelta per lo stampaggio della biella in alluminio contiene Cu-Si. La lega destinata alla fusione invece è a base di Si-Mg. Nonostante vi sia la possibilità di realizzare bielle in alluminio, queste non hanno conosciuto una larga diffusione (alcune non sono mai uscite dallo stadio sperimentale) in quanto soffrono di un comportamento anisotropo delle fibre: resitono bene a trazione e male a compressione. Naturalmente tale soluzione crea notevoli problemi in quanto la biella lavora principalmente a compressione.

Bielle in ghisa

Al contrario, le bielle destinate ai motori più stradali, sono realizzate in ghisa sferoidale e ricavate per fusione. Queste oltre ad essere facilmente lavorabili hanno buone caratteristiche meccaniche adatte a soddisfare i primi accenni di sportività dei motori montati sulle piccole vetture stradali.

Bielle per motori Diesel lenti

Realizzate nella stragrande maggioranza dei casi in ghisa grigia sferoidale. Grazie al ridotto regime di rotazione è possibile asportarne una parte di materiale dal cappello di biella per meglio equilibrare la parte alterna.

Pistoni per motori stradali

E' fondamentale che i pistoni siano realizzati con materiali aventi buone caratteristiche meccaniche, un'elevata resistenza alle alte temperature, bassi valori di dilatazione termica ed un peso contenuto ovviamente. Nei motori stradali si utilizzano leghe di alluminio contenenti: Al-Si-Mg e AlCuMgSi. La presenza del silicio è fondamentale per migliorare la colabilità della lega e ridurre la fragilità da ritiro. I vantaggi dell'impiego dell'alluminio rispetto a ghisa e acciaio si traducono in una maggiore facilità di dispersione del calore con conseguente possibilità di incrementare i rapporti di compressione ed ottenere quindi prestazioni più elevate a parità di cilindrata. Inoltre l'impiego dell'alluminio offre un minore attrito con le pareti dei cilindri. Aumenta pertanto anche il rendimento meccanico. Infine la maggior leggerezza permette di ridurre le inerzie e poter quindi aumentare il regime di rotazione del motore. Vantaggi non da poco!

Pistoni per motori da competizione

Oltre alle leghe di alluminio, in questo campo, è frequente l'utilizzo di leghe di magnesio. Sono più leggere (di quelle elencate nel precedente paragrafo) avendo una minore densità: 1,8 kg/dm^3 anziché 2,7 kg/dm^3. Tuttavia il maggior coefficiente di dilatazione termica ed una minore resistenza complessiva, obbliga a fare uso di Zirconio (aumentando quindi i costi) come elemento di alligazione.

Segmenti o fasce elastiche

Il materiale più utilizzato è la ghisa grigia ad alto tenore di silicio e grano molto fine. Nel caso di fasce molto sollecitate si utilizza una ghisa nodulare oppure acciaio al CrMoV o ancora, sinterizzati (polvere di acciaio, Nichel e Molibdeno).

Albero motore

Il materiale utilizzato per questo organo deve avere dei fondamentali requisiti: un'elevata resistenza, un ottimo modulo elastico, tenacità al cuore e durezza superficiale. L'unico materiale che soddisfa queste richieste è l'acciaio. Acciai al carbonio da cementazione (scelti prevalentemente per i motori a due tempi) e acciai legati da bonifica.

Cromo Manganese. Adatto ad alberi motore poco sollecitati come quelli utilizzati su motori stradali. Dispongono di un'elevata durezza con valori HB prossimi a 227. Non male anche l'allungamento percentuale pari a 14. Tuttavia la resistenza è di soli 80-95 kg/mm^2

Cromo Molibdeno. Rispetto alla precedente lega, questo materiale vanta una maggiore resistenza (90-105 kg/mm^2) ma un minor allungamento percentuale (12). La durezza (HB) vale 241.

Nichel Cromo. Possono raggiungere buoni valori di resistenza (100 kg/mm^2) con un ottimo valore di allungamento percentuale (14) ed un'elevata durezza (HB) pari a 248. Una lega adatta quindi anche ad alberi molto sollecitati.

Nichel Cromo Molibdeno. I migliori in assoluto con resistenza fino a 115 kg/mm^2, allungamento percentuale fino a 14 ed una durezza HB fino a valori pari a 260.

Acciai da Nitrurazione. Molto utilizzati sono anche gli acciai da nitrurazione (41CrAlMo7) in grado di raggiungere una durezza di 1000 HV. La presenza dell'alluminio da una parte favorisce la lavorabilità mentre dall'altra aumenta la fragilità dell'albero motore. In Formula 1 viene alle volte utilizzato il 31CrMoV10 che dispone di una durezza di 700 HV. Un valore più che soddisfacente per il tipo di utilizzo dell'albero motore. Molto importante anche l'elevata tenacità e un allungamento a rottura del 14%.

Acciai Maraging. Sono molto resistenti, tuttavia il basso modulo elastico è la principale causa dello scarso utilizzo di questo materiale per le competizioni.

Alberi motore in Ghisa sferoidale. Si tratta del materiale più economico per questo tipo di organi meccanici. La sua ottimale lavorabilità ed i costi contenuti ne giustificano il largo impiego nei motori stradali.

Basamento a canne integrali

Per la realizzazione di basamenti con canne integrali ovvero ricavate all'interno del basamento stesso si utilizzano ghise speciali (a grano molto fine) al fosforo-manganese ed al nichel-cromo. La percentuale di silicio, piuttosto alta, serve a favorire la separazione del carbonio sotto forma di grafite. Il compito del cromo e del nichel, invece, è quello di migliorare le proprietà meccaniche della ghisa. Aumenta pertanto la resistenza all'usura a caldo. Come vedremo nelle altre pagine di questo sito, il calore è la principale causa di invecchiamento di un motore assieme agli attriti. Infine il compito del fosforo è quello di accrescere la durezza e la colabilità della ghisa. E' importante porre attenzione alla presenza di zolfo che dovrà essere quanto mai limitata onde evitare problemi legati alla colabilità, al ritiro ed alla fragilità.

Basamento a canne riportate

Nel caso di basamenti a canne riportate si ha il vantaggio di poter ottenere un risparmio in peso del basamento e garantire comunque le dovute caratteristiche meccaniche delle canne riportandole in un secondo momento e realizzandole del materiale più adatto. I basamenti di questo tipo vengono realizzati mediante leghe leggere di alluminio-rame e alluminio-silicio (le stesse utilizzate per la testata, vedi più in basso le caratteristiche).

Canne cilindri riportate

Può essere ovviamente impiegata la ghisa sferoidale. Le ghise al nichel devono essere sottoposte al trattamento di nitrurazione per ottenere il giusto indurimento superficiale. Il trattamento viene eseguito mediante vapori di ammoniaca. Le canne riportate non possono essere rettificate una volta che le loro dimensioni sono per così dire "fuori tolleranza".

Testata

I materiali che vengono scelti per realizzare questo complesso organo sono esclusivamente quelli adatti al processo di colata. Essi infatti devono presentare un'elevata fluidità ed una bassa percentuale di ritiro. Per tali ragioni vengono scelte particolari ghise sferoidali oppure leghe leggere di alluminio e rame. I vantaggi offerti dalle leghe leggere si traducono in un'importante riduzione di peso del motore e in una migliore dispersione del calore. Tuttavia, solo dopo l'introduzione delle sedi valvole riportate, è stato possibile utilizzare leghe leggere per la realizzazione delle testate. Questo perchè le caratteristiche meccaniche richieste dalle sedi valvole sono ben diverse da quelle che anche la più eccellente lega di alluminio può offrire.

G-AlSi9Mg. La lega di alluminio più utilizzata per le testate è la G-AlSi9Mg. Dopo gli opportuni trattamenti termici questa lega offre un Allungamento percentuale compreso tra il 2% ed il 5%, un Carico di rottura compreso tra i 250 N/mm^2 ed i 300 N/mm^2, Durezza Brinell HB 80-110, Resilienza 80-110 N/mm^2, Carico di snervamento 200-270 N/mm^2. Indipendentemente dal trattamento termico tale lega di Alluminio ha un peso specifico di 2,65 kg/dm^3, un Modulo elastico pari a 74-83 kN/mm^2, un Coefficente di dilatazione termica tra i 20°C ed i 200°C di 21 1/K x 10^6, un Coefficente di conducibilità termica tra i 20°C ed i 200°C di 1,39-1,68 W/K x m ed un Ritiro linerare per colata in sabbia dell'1,0-1,1%.

G-AlCu5NiCoSbZr. Qualora fosse necessario ottenere una maggiore resistenza della testata alle alte temperature si adottano leghe di alluminio che contengono come elemento di alligazione il rame. Un esempio valido è rappresentato dalla lega G-AlCu5NiCoSbZr. Questa lega è in grado di resistere ad elevate variazioni di temperatura secondo cicli alterni. Lo svantaggio principale presentato da questo tipo di materiale è la limitata resistenza alla corrosione causata dalla presenza del nichel e del rame. Questa lega dopo gli opportuni trattamenti termici offre un Allungamento percentuale compreso tra il 1% ed il 1,5%, un Carico di rottura compreso tra i 180 N/mm^2 ed i 220 N/mm^2, Durezza Brinell HB 85-95, Resilienza 90-100 N/mm^2, Carico di snervamento 145-165 N/mm^2. Tale lega di Alluminio ha un peso specifico di 2,84 kg/dm^3, un Modulo elastico pari a 72-76 kN/mm^2, un Coefficente di dilatazione termica tra i 20°C ed i 200°C di 22,5 1/K x 10^6, un Coefficente di conducibilità termica tra i 20°C ed i 200°C di 1,18-1,55 W/K x m ed un Ritiro linerare per colata in sabbia dell'1,3-1,5%.

Valvole

Nei motori con testata in ghisa le sedi sono ricavate per lavorazione direttamente nella testa, nei motori con testata in alluminio si praticano dei fori in cui si inseriscono le sedi realizzate con materiali più duri, come ghisa o acciaio legato con eventuali riporti in stellite. Le valvole di aspirazione lavorano a temperature di circa 500°C (perché raffreddati dalla miscela fresca che entra) e sono costruite in acciaio al carbonio, al nichelcromo o al cromo silicio, e temprate per resistere alle sollecitazioni meccaniche. Le valvole di scarico sono più sollecitate poiché raggiungono temperature di 700-800°C: si usano valvole in acciaio al nichelcromo austenitico, in alcuni motori si usano valvole bimetalliche che si adattano meglio ai differenti regimi di temperatura cui sono sottoposti il fungo e lo stelo. Il fungo è realizzato in acciaio al nichelcromo manganese, lo stelo in acciaio cromo silicio e le due parti vengono poi saldate per attrito e rifinite mediante rettifica. Nei motori sportivi, o da competizione, si usano valvole cave riempite parzialmente con sali di sodio, che hanno la proprietà di liquefare a circa 100°C in modo da circolare fra testa e stelo della valvola. Ciò produce un'efficiente conduzione del calore dalla testa al gambo e quindi al liquido di raffreddamento che scorre nelle testata del motore. Le difficoltà di raffreddamento delle valvole sono proporzionali alle dimensioni delle stesse: per questo motivo si preferisce adottare un maggior numero di valvole piccole, che si raffreddano più velocemente.

 

Polimerici

Diversi materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene molecolari o reti a loro volta costituite a partire da composti organici (precursori contenenti carbonio). La maggior parte dei materiali polimerici non ha struttura cristallina, altri invece sono formati da una miscela di regioni cristalline e altre non cristalline. La resistenza meccanica e la duttilità dei materiali polimerici è molto variabile. La natura della loro struttura interna li rende scarsamente conduttivi, alcune tipologie di materiali polimerici infatti sono considerate ottimi isolanti.

Esempi di applicazioni: rivestimenti e finiture interno abitacolo; componentistica accessori motore.

 

Ceramici

Trattasi di materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro. I materiali ceramici possono essere cristallini, non cristallini oppure parzialmente cristallini e parzialmente non cristallini contemporaneamente. Tali materiali sono caratterizzati da alta durezza ed alta resistenza meccanica ad alte temperature. D'altra parte però risultano essere piuttosto fragili (piccolissima o nessuna deformazione prima della rottura). Tra i vantaggi di questi particolari materiali troviamo il basso peso specifico, alta resistenza meccanica e durezza, buona resistenza termica, buona resistenza all'usura, ridotto coefficiente di attrito e proprietà isolanti.

Esempi di applicazioni: rivestimento di forni per trattamenti termici e fusione dei metalli; dischi freno carbonceramici.

 

Compositi

Un materiale composito può essere definito come la somma di due o più materiali integrati tra loro per formare un nuovo materiale. I costituenti mantengono le loro proprietà e l'intero materiale composito otterrà diverse proprietà dai diversi materiali che lo formano. La maggior parte dei materiali compositi consiste di un riempitivo di rinforzo e di una matrice polimerica con esso compatibile, legati tra loro per ottenere particolari caratteristiche e proprietà adeguate per l'applicazione richiesta. I componenti non si disciolgono l'uno nell'altro e può essere fisicamente individuata un'interfaccia tra i due. I compositi più diffusi sono quelli di tipo "fibroso" (fibre annegate in una matrice) e quelli di tipo "particolato" (particelle annegate in una matrice). Per la produzione di materiali compositi possono essere utilizzate diverse combinazioni di rinforzi e matrici. Ad esempio il materiale della matrice può essere un metallo (ad es. alluminio) o un ceramico (ad es. allumina) o ancora un materiale polimerico (ad es. resina epossidica). A seconda del tipo di matrice adottata il composito può essere classificato come un composito a matrice metallica (MMC), composito a matrice ceramica (CMC), o un composito a matrice polimerica (PMC). I materiali fibrosi o particolati possono essere anche selezionati da una delle tre principali classi di materiali come ad esempio: carboni, vetro, aramide, carburo di silice, ecc.

Esempi di applicazioni: telai, abitacoli, carrozzerie, profili alari, appendici aerodinamiche, componentistica.

Bielle in materiale sinterizzato o composito. Nell'ambito della prototipazione sono stati realizzati modelli di bielle in materiale sinterizzato o in materiale composito in matrice metallica, fuse in lega di alluminio con rinforzo interno in fibra di carbonio. In talune prove si è persino proceduto alla realizzazione di bielle in materiale plastico.

 

Materiali in F1

Sezione in preparazione

 

Altri materiali

Bielle in mogano. Se non vado errato, sul numero di Marzo del 1999 o 2000 della rivista “Elaborare”, usciva un articolo riguardo le bielle in fibre naturali. Si trattava di una burla (un pesce d’Aprile), un articolo poi smentito nel numero successivo. L’articolo, anche se non veritiero, era molto ben curato e l’autore inventava dettagli che potevano risultare convincenti ad una prima rapida lettura. L’articolo viene riassunto di seguito:

Si è scoperto che le fibre naturali presentano alcuni vantaggi insospettabili per realizzare organi come le bielle. Bielle allo stato prototipale realizzate in legno di mogano hanno dimostrato di possedere un’elevata resistenza a trazione e compressione, una buona elasticità, un’elevata leggerezza che contribuisce alla riduzione delle inerzie e permette di raggiungere buoni regimi di rotazione. Logicamente il dimensionamento di tali organi dovrà essere più generoso rispetto a quello delle stesse in acciaio. Infine si sono potuti osservare interessanti caratteristiche quali l’assenza di conduzione del calore e delle vibrazioni. Le bielle di legno non trasmettendo né calore, né vibrazioni (come invece accade per i metalli) ed hanno un importantissimo incremento della resistenza a fatica. E’ importante notare però che questi componenti fantascientifici devono subire trattamenti speciali quali ad esempio: rivestimenti con sostanze impregnanti, verniciature con vernici di derivazione aerospaziale.

Ora, a distanza di anni, mi chiedo: “Oggi sarebbe possibile avvicinarsi anche minimamente a quanto affermato in questo pesce d’Aprile?” Così… giusto per effettuare qualche curiosa prova di laboratorio su una biella in un sol pezzo, come quelle adottate sui 2 tempi, e stare ad osservare cosa accade su un piccolo motore che lavora ad un ridotto numero di giri e con minimi carichi.