Tecnologie costruttive: come nasce un motore

Di quando in quando, nelle schede tecniche, si accenna ai procedimenti produttivi, ad esempio parlando di fusione in conchiglia, di pezzi forgiati o sinterizzati e via dicendo. Sembra quindi opportuno fare un quadro riassuntivo, con una descrizione sintetica delle diverse tecnologie impiegate per la fabbricazione dei nostri motori.

Gli organi meccanici possono essere ottenuti fondamentalmente per fusione, colando il metallo liquido in apposite “forme” o stampi, o per forgiatura. Solo in un numero piuttosto ridotto di casi si fa ricorso alla sinterizzazione o si ricavano i pezzi dal pieno, partendo dalla barra o dalla lastra, mediante lavorazione alle macchine utensili. Quest’ultimo procedimento è tipico di realizzazioni piuttosto particolari (ridotti numeri di produzione, alcune parti da corsa, componenti per prototipi). Pure i pezzi forgiati o ottenuti per fusione vengono poi lavorati, onde raggiungere le corrette dimensioni, la geometria definitiva e anche per conseguire la prevista finitura superficiale,
ma l’asportazione di materiale è decisamente modesta; quello che si asporta è soltanto il cosiddetto “soprametallo”.

La sinterizzazione

La sinterizzazione consiste nel pressare entro appositi stampi e nel portare quindi al alta temperatura delle polveri metalliche in modo da ottenere parti aventi forma e dimensioni corrette, in un materiale che presenta le caratteristiche previste. Si usa comunemente per le pulegge e in certi casi anche per organi come le bielle. La scelta della tecnologia produttiva da impiegare assai spesso è obbligata.

L’acciaio fonde a una temperatura molto alta e in genere scorre piuttosto male, allo stato liquido. È invece molto duttile, una volta portato ad alta temperatura. Il procedimento che si utilizza con questo materiale è quindi la forgiatura. Solo pochi particolari in accioaio, e in genere di piccole
dimensioni, vengono realizzati per microfusione (investment casting). Le bielle e gli alberi dei motori da corsa spesso sono ottenuti per lavorazione dal pieno. In tutti gli altri casi, che sono poi quasi la totalità, i pezzi in acciaio vengono forgiati. Al contrario, le parti in ghisa vengono realizzate
invariabilmente per fusione, colando il metallo fuso in apposite “forme” in sabbia, materiale notoriamente refrattario.

Alluminio: per fusione o forgiatura

I componenti in lega di alluminio possono essere realizzati per fusione o per forgiatura (anche se in genere le leghe hanno composizioni leggermente diverse nei due casi). Inoltre, data la temperatura di fusione relativamente bassa (poco più di 600 °C, contro gli oltre 1100 °C della ghisa) e la grande fluidità allo stato liquido, consentono di fare ricorso a tutte le tecnologie
fusorie disponibili, ciascuna delle quali ha i suoi punti di forza e i suoi punti deboli e quindi il suo campo di impiego ottimale.

Colata in terra

La colata in terra si effettua versando il metallo liquido in una cavità (per ottenere la quale si impiega un apposito modello) ricavata nella sabbia, debitamente addensata e compattata. Il modello è permanente e può essere in legno, resina o metallo; viene realizzato tenendo conto del ritiro che il metallo subisce in seguito alla solidificazione e al raffreddamento fino alla temperatura ambiente. Dunque, è leggermente più grande del pezzo che viene prodotto. Spesso è in più parti, che ne consentono la rimozione dalla sabbia senza danneggiare l’impronta anche in presenza di geometrie molto complesse. Per ottenere delle cavità interne si impiegano delle anime, in genere realizzate con sabbia agglutinata, che vengono distrutte agevolmente dopo la solidificazione del pezzo.

La colata in terra non comporta la realizzazione di costosi stampi metallici e sotto l’aspetto economico si presta ottimamente alla realizzazione di parti prodotte in numeri limitati. Inoltre, consente di apportare eventuali modifiche in tempi brevi e con notevole facilità.

I basamenti in ghisa vengono realizzati con questo procedimento, utilizzando linee largamente automatizzate, sviluppate per la produzione in grande serie. Per quanto riguarda le leghe di alluminio, la colata in terra si impiega prevalentemente per produrre basamenti e teste destinati a prototipi, a mezzi da competizione o a modelli costruiti in un numero limitato di esemplari. Le
caratteristiche meccaniche che si ottengono sono buone.

Formatura a guscio

Strettamente imparentata con la colata in terra è la formatura a guscio, più nota come shell molding o processo Croning, che può essere agevolmente automatizzata e che si presta alla produzione di parti che in genere non hanno dimensioni elevate. Prevede la realizzazione di un guscio in sabbia-resina in due parti, con impronta che viene ottenuta grazie a due placche-modello in metallo. Si usa principalmente per realizzare parti in ghisa di modeste dimensioni.

Altri due procedimenti fusori che prevedono la creazione di una cavità in uno stampo a perdere (in sabbia o materiale ceramico) sono la microfusione (investment casting), praticamente eguale al sistema a cera persa descritto qualche secolo fa da Benvenuto Cellini, e il processo lost-foam, con impronta ottenuta mediante modello in polistirene, che fonde all’arrivo del metallo liquido. In particolare, il secondo ha una certa utilizzazione in campo auto per la produzione di teste in lega leggera.

Colata in conchiglia

Nella colata in conchiglia l’ingresso del metallo fuso nella cavità (ricavata all’interno di uno stampo metallico) può avvenire sotto l’azione della gravità oppure sotto una bassa pressione. Il primo procedimento è quello più largamente impiegato. Consente di ottenere parti dalle caratteristiche buone, data la possibilità di gestire accuratamente la solidificazione del materiale e data la modesta presenza di porosità interne nel pezzo finito.

Il costo degli stampi in acciaio è però elevato e per essere ammortizzato richiede numeri di produzione piuttosto considerevoli. Questo procedimento fusorio, che può essere automatizzato in considerevole misura, è il più impiegato per produrre teste e basamenti in lega di alluminio. La maggior parte dei pistoni di serie (fanno eccezione solo quelli dei motori di potenza specifica particolarmente elevata, che sono generalmente ottenuti per forgiatura) viene realizzata con questa tecnologia. Pure in questo caso si possono ottenere cavità interne utilizzando delle anime in sabbia, che vengono poi agevolmente distrutte all’atto dell’estrazione.

La colata in conchiglia a bassa pressione comporta costi più alte, ma permette di ottenere parti dotate di caratteristiche meccaniche particolarmente elevate. Questo procedimento viene impiegato soprattutto dai costruttori tedeschi.

La pressofusione

La pressofusione comporta costi iniziali ancora più alti e quindi si presta a volumi di produzione molto elevati (numerose migliaia di pezzi), per i quali risulta assai conveniente sotto l’aspetto economico. Prevede l’immissione del metallo liquido nello stampo di acciaio sotto elevata pressione (da 350 a 1000 bar, generalmente) e con grande rapidità. La produttività è ottima e tanto la precisione dimensionale quanto quella geometrica, come pure la finitura superficiale, sono molto buone. I limiti di questa tecnologia sono però considerevoli. Il materiale presenta numerose piccole porosità interne causate dall’aria che rimane intrappolata (non fa a tempo ad uscire dalla cavità dello stampo e inoltre il metallo entra con moto turbolento), che ne peggiorano le caratteristiche meccaniche e rendono molto difficile la saldatura e addirittura impossibile il trattamento termico.

Non si possono realizzare sottosquadri o cavità interne, dato che le anime in sabbia agglutinata verrebbero distrutte dall’arrivo del metallo liquido. La pressofusione non può essere impiegata per realizzare le teste, mentre è largamente utilizzata per produrre basamenti; i blocchi cilindri ottenuti con questo procedimento però devono invariabilmente essere del tipo open deck.

Procedimenti sottovuoto

Di recente sono state sviluppate delle varianti della pressofusione di notevole interesse, che consentono di superare in larga misura o addirittura del tutto alcune di queste limitazioni. Sono così comparsi procedimenti sottovuoto, come il Fondarex e il Vacural, nei quali l’aria viene aspirata dalla cavità dello stampo all’atto della iniezione del metallo fuso, col risultato di
ridurre al minimo la presenza di porosità nel pezzo finito, che può anche essere sottoposto, in tal modo, al trattamento di bonifica (T6). Il basamento bimetallico (lega di alluminio per la parte interna e di magnesio per quella esterna) di alcuni recenti BMW viene realizzato utilizzando questo raffinato processo.

Altre tecnologie apparse negli ultimi anni prevedono la colata in conchiglia a media pressione (30 – 70 bar), con velocità di riempimento dello stampo relativamente modesta (dell’ordine di 0,5 – 2,5 metri al secondo), il che consente di impiegare anime ceramiche per realizzare le cavità interne. Il procedimento HNDC impiegato dalla Honda è una variante di questa tecnologia.

Squeeze casting

Lo squeeze casting prevede una immissione del metallo liquido nello stampo a bassa velocità (inferiore a 1,5 metri al secondo, indicativamente) e subito dopo una messa in pressione, che viene mantenuta durante tutta la solidificazione. Non consente l’impiego di anime in sabbia, ma permette di ottenere pezzi dalle eccellenti caratteristiche. La bassissima porosità rende inoltre possibile il trattamento termico. Questo procedimento, che consente di incorporare nella lega leggera delle particelle dure o delle fibre, viene impiegato da alcuni costruttori di pistoni tedeschi e giapponesi. La Porsche lo utilizza per realizzare i basamenti di alcuni suoi motori.

La tecnologia che può essere ritenuta un vero e proprio anello di congiunzione tra la fusione e la forgiatura è la colata in semisolido, in particolare nelle varianti denominate thixocasting e thixomolding. La impiegano ancora in pochi, ma non ci sono dubbi sul fatto che abbia un grande futuro. Con tutta probabilità tra qualche tempo se ne parlerà molto.