Tecnica, l'alluminio nelle auto (seconda parte)

L’elevata conduttività termica delle leghe di alluminio è molto vantaggiosa per i componenti destinati a smaltire grandi quantità di calore perché direttamente lambiti da gas che non solo durante la combustione, ma anche durante le fasi di espansione e di scarico, raggiungono temperature molto elevate.

Si tratta dunque dei cilindri, dei pistoni e delle teste. Per quanto riguarda queste ultime, da tempo le leghe di alluminio hanno sostituito la ghisa, consentendo oltre a una sensibile riduzione del peso, una notevole diminuzione delle temperature delle pareti delle camere di combustione. Ciò a sua volta ha anche permesso di adottare rapporti di compressione più elevati, e quindi di migliorare il rendimento termico del motore.

In campo auto di norma il blocco cilindri (ovvero le due bancate, se l’architettura è a V o boxer) è incorporato nel basamento, che spesso viene tuttora realizzato in ghisa, materiale che ha dalla sua anche un costo ridotto e che svolge assai bene il suo compito. Se però per il basamento si impiega la lega di alluminio è possibile ottenere un’apprezzabile diminuzione del peso. Di conseguenza si può ridurre la massa della vettura; si possono così avere minori consumi e quindi minori emissioni di CO2. Per questa ragione la diffusione dei basamenti in lega di alluminio, già considerevole, sta ulteriormente aumentando.

Da quasi cent’anni a questa parte i pistoni vengono realizzati utilizzando leghe di alluminio. Da molto tempo i produttori ne hanno sviluppate alcune specificamente destinate a questo tipo di impiego. I tecnici continuano a lavorare intensamente in questo settore, in particolare per migliorare la resistenza alla fatica termica. Grazie alle leghe di alluminio i pistoni abbinano una grande leggerezza (fondamentale, per le parti mobili) a una eccellente capacità di smaltimento del calore. Nella grande maggioranza dei casi vengono impiegate leghe con un tenore di silicio dell’ordine del 12% e i pistoni vengono ottenuti per fusione in conchiglia. Nei motori da competizione o di prestazioni particolarmente elevate si utilizzano pistoni realizzati per forgiatura (stampaggio a caldo) e come materiale non di rado si utilizza una lega alluminio-rame. I costi sono nettamente più alti, ma con uno stesso peso il pezzo è più robusto (o, viceversa, a parità di robustezza il pezzo è più leggero). Le leghe alluminio-rame hanno però un coefficiente di dilatazione termica più alto, rispetto a quelle al silicio. La presenza di quest’ultimo elemento è vantaggiosa, tra l’altro, ai fini della fluidità allo stato fuso (che si traduce nella possibilità di realizzare agevolmente componenti dalla geometria assai complessa). Aggiungendo all’alluminio invece una certa quantità di rame si impartiscono alla lega caratteristiche meccaniche molto buone che (diversamente da quanto accade per altre leghe) rimangono su valori considerevoli anche a temperature relativamente elevate.

Di recente alcuni diesel fortemente sovralimentati sono stati dotati di pistoni di acciaio, ma per quanto riguarda i motori a benzina nulla fa pensare che in futuro l’alluminio possa essere soppiantato.

Le parti dalla geometria complessa vengono ottenute per fusione.

Quando occorre la massima robustezza e la conformazione del pezzo è relativamente semplice si fa ricorso invece alla lavorazione plastica (forgiatura, estrusione), che consente di ottenere parti aventi migliori caratteristiche meccaniche. Si possono infatti impiegare leghe nettamente superiori sotto questo aspetto e inoltre il materiale assume una struttura compatta, con grana cristallina omogenea e con assenza di porosità interne.

In passato ci sono stati alcuni esempi di bielle forgiate in lega di alluminio, in motori che peraltro avevano potenze specifiche assai lontane da quelle attuali. È anche interessante ricordare che sugli ultimi grandi motori stellari d’aviazione, per poter sopportare le impressionanti sollecitazioni in gioco sono state impiegate teste forgiate, nelle quali mediante lavorazione meccanica veniva ricavata una fittissima alettatura. In questo modo era possibile disporre di una superficie di scambio termico molto elevata, che consentiva di cedere all’aria la grande quantità di calore che era necessario smaltire.

L’alta conduttività termica rende le leghe di alluminio particolarmente indicate per realizzare gli scambiatori di calore (radiatori, intercoolers…).

Largo impiego hanno da molti anni a questa parte i materiali antifrizione per bronzine in lega alluminio-stagno. Di recente sono apparsi svariati nuovi materiali destinati a questo tipo di impiego essi pure a base di alluminio.

Come per gli acciai, anche per le leghe di alluminio hanno una grande importanza i trattamenti termici, che consentono di migliorare considerevolmente la durezza e la resistenza a trazione. Tipica è la bonifica, costituita dalla tempra di solubilizzazione seguita dall’invecchiamento artificiale (o, meno frequentemente, naturale). Ad esempio, un tipico trattamento termico impiegato per i pistoni realizzati in lega al 12% di silicio prevede una fase di solubilizzazione a 550 °C della durata di 4 ore, seguita da un repentino raffreddamento in acqua (tempra). Successivamente i pezzi vengono sottoposti a invecchiamento artificiale mantenendoli per 4 ore a 250 °C e infine vengono raffreddati in aria.

Non tutte le leghe possono però essere sottoposte a bonifica. Per ottenere un loro vigoroso rafforzamento si fa allora ricorso all’incrudimento, che si ottiene grazie alla deformazione plastica del materiale.

Nel caso dei componenti ottenuti per fusione, è importante il tipo di procedimento adottato. Un notevole punto debole dei pezzi realizzati per pressofusione è costituito dalla presenza in seno al materiale di un gran numero di piccole porosità, che rendono impossibile il trattamento di bonifica. La pressofusione sotto vuoto è stata sviluppata proprio per superare questa limitazione, ma fa aumentare i costi di produzione.