Tecnica: la vita spericolata delle valvole (Seconda parte)

Le esigenze che le valvole sono chiamate a soddisfare sono svariate e tutte assai severe. I requisiti che le più sollecitate, cioè quelle di scarico, devono possedere possono essere riassunti come segue. Innanzitutto il materiale deve mantenere adeguate caratteristiche meccaniche anche a caldo. Il particolare, sono fondamentali la resistenza a trazione e la durezza (vitale per quanto riguarda la resistenza all’usura). La cosa non è semplice perché per gli acciai, come per gli altri materiali metallici, tali caratteristiche peggiorano considerevolmente al crescere della temperatura, che nel caso delle valvole di scarico raggiunge valori molto elevati. A caldo inoltre è più intensa l’attività chimica delle sostanze aggressive, inevitabilmente presenti nei gas in combustione. Di conseguenza è fondamentale che il materiale delle valvole abbia anche una considerevole resistenza alla corrosione. Poiché le sollecitazioni si susseguono, variando di continuo, è importantissima anche una elevata resistenza a fatica. Inoltre il materiale deve consentire alle valvole di mantenere le dimensioni e la geometria originali anche dopo lunghi periodi di funzionamento ad alta temperatura. In altre parole deve possedere una notevole resistenza allo scorrimento viscoso (creep). Il materiale deve anche essere forgiabile agevolmente e deve possedere una buona lavorabilità. Infine, e la cosa ha una importanza non trascurabile per quanto riguarda la produzione in serie, c’è da considerare la voce costo…

Fin dagli albori del motorismo i tecnici si sono resi conto che le valvole di scarico dovevano essere realizzate con materiali aventi caratteristiche particolari. Come ovvio, si trattava di acciai, ma quali erano i più adatti? La scelta iniziale è caduta su quelli al tungsteno impiegati per gli utensili da lavorazione meccanica, che arrivavano a lavorare, in corrispondenza del margine di taglio, al calor rosso. Ben presto, durante la prima guerra mondiale, è stato chiaro che occorreva qualcosa di più. Le prestazioni stavano aumentando e con esse le sollecitazioni; inoltre occorreva la massima affidabilità, specialmente in considerazione dell’impiego in campo aeronautico. Nei primi anni Venti negli USA ci si è orientati sugli acciai al cromo-silicio, più tenaci e resilienti e con una minor densità rispetto ai precedenti. Per un po’ sono stati in grado di soddisfare le esigenze, ma quando queste sono ulteriormente aumentate la soluzione ai problemi è arrivata dalla vecchia Europa. In Germania attorno al 1914 la Krupp aveva sviluppato un eccellente acciaio austenitico inossidabile ad alto tenore di cromo e di nichel dalle eccellenti caratteristiche a caldo. Questo materiale è stato il padre dei successivi acciai “austenitici” sviluppati specificamente per le valvole di scarico dei motori. Dopo il termine del conflitto il brevetto relativo a questo materiale è stato ceduto a una industria inglese, che ha proseguito lungo la stessa strada.

Qui occorre una sintetica spiegazione. Il ferro ha due differenti celle cristalline elementari, a ciascuna delle quali corrispondono diverse caratteristiche e una diversa solubilità del carbonio. Quella usuale, cubica a corpo centrato, è formata da nove atomi; costituisce il ferro alfa. Quella che si forma al di sopra di una certa temperatura (molto elevata!) è cubica a facce centrate ed è formata da 14 atomi; costituisce il ferro gamma. La struttura che forma viene detta austenitica e con l’aggiunta di cospicue percentuali di certi elementi leganti, decisamente costosi, può essere resa stabile anche alla temperatura ambiente.

Il fatto che l’acciaio austenitico mantenga buone caratteristiche meccaniche a caldo lo ha reso (e lo rende tuttora) il materiale principe per le valvole di scarico. Naturalmente nel corso degli anni sono state realizzati diversi acciai di questo tipo, che si differenziano uno dall’altro per la percentuale e il tipo dei leganti impiegati. La quantità complessiva di cromo e di nichel (sempre presenti) è compresa tra il 30 e il 40%.

La ridotta durezza degli acciai austenitici e la impossibilità di incrementarla significativamente mediante trattamento termico ha portato alla adozione di riporti di materiale duro sulla periferia del fungo, dove cioè ha luogo il contatto con la sede. Largamente utilizzati sono quelli a base di cobalto, con alto tenore di cromo. Tra di essi sono particolarmente noti e apprezzati quelli che costituiscono la Stellite, della quale esistono varie “versioni”. Questi riporti vengono applicati per saldatura (meno frequentemente mediante processo al plasma).

Non di rado le valvole sono nere. Questa colorazione viene loro impartita dalla nitrurazione alla quale vengono sottoposte per migliorare la resistenza all’usura. Negli altri casi sullo stelo viene applicato galvanicamente un sottile riporto di cromo duro.

Gli acciai austenitici hanno un coefficiente di dilatazione termica sensibilmente più alto di quello degli altri acciai; inoltre, non resistono bene all’usura. Per migliorare drasticamente la situazione sono state sviluppate le valvole bimetalliche, con fungo in acciaio austenitico (o in superlega) e stelo in un acciaio del tipo impiegato per le valvole di aspirazione, meno resistente a caldo ma più duro, con minor coefficiente di dilatazione (che rende possibile un minor gioco nella guida) e decisamente meno costoso. Le due parti vengono unite mediante saldatura per attrito, utilizzando macchine automatizzate. Questo processo non prevede l’impiego di una fiamma ossiacetilenica né di un arco elettrico. Una parte gira ad alta velocità e a un certo punto viene premuta con forza contro l’altra; la rotazione cessa e ha luogo la saldatura, grazie alla trasformazione in calore dell’energia cinetica proprio nella zona interessata.

Le valvole di scarico dei motori particolarmente sollecitati, come molti di quelli di elevata potenza specifica, sono spesso realizzate con una superlega, del tipo di quelle originariamente studiate per le turbine dei motori a reazione. Sono a base di nichel e non contengono che una percentuale ridottissima di ferro (anzi, talvolta questo elemento non è neanche presente). Non si tratta quindi di acciai. Il più noto è il Nimonic 80 A, utilizzato su molti motori da competizione a partire dagli anni Cinquanta. Contiene oltre il 70% di nichel e circa il 20% di cromo. Da tempo ha una buona diffusione l’Inconel 751, la cui composizione è abbastanza simile e nel quale al posto del 2% di cobalto c’è l’1% di terre rare. Più recenti sono il Waspaloy e il Pyromet, famiglie di superleghe sempre a base nichel ma con significative quantità di cobalto (11 – 15%) e di molibdeno.

Nei motori da competizione da diversi anni a questa parte si impiegano valvole in lega di titanio, delle quali ci occuperemo in futuro, quando parleremo di questo straordinario metallo.