Massimo Clarke: "I pistoni dei motori motociclistici". Quarta parte

di Massimo Clarke

Le caratteristiche delle leghe di alluminio impiegate per produrre questi importanti componenti, le tecnologie di fabbricazione, i trattamenti e i riporti superficiali in una panoramica che illustra lo stato dell’arte | M. Clarke

di Massimo Clarke

3 luglio 2014

Alcuni organi meccanici sono così specialistici che i costruttori di motori non li realizzano internamente; sia per la progettazione che per la produzione si rivolgono infatti ad aziende che operano negli specifici settori. È questo il caso di componenti come cuscinetti, valvole, molle e pistoni. Questi ultimi devono abbinare una grande leggerezza a una elevata robustezza e devono essere in grado di sopportare sollecitazioni molto elevate, non solo meccaniche ma anche di natura termica. Per realizzarli si impiegano leghe di alluminio particolari, sviluppate specificamente per questo tipo di impiego, nelle quali di norma è presente una notevole percentuale di silicio. Questo elemento migliora le caratteristiche meccaniche e riduce il coefficiente di dilatazione termica, che nelle leghe di alluminio è molto alto. Tra le altre caratteristiche che il materiale per i pistoni deve presentare è importante una grande resistenza alla fatica termica. I cicli di riscaldamento e di raffreddamento si susseguono di continuo, l’esposizione ai gas incandescenti è traumatica e le temperature raggiunte a livello del cielo possono essere molto elevate. La situazione è peggiorata dal fatto che in zone a distanza anche di pochi millimetri una dall’altra si possono avere temperature molto differenti; ciò determina la formazione di forti tensioni in seno al materiale, che tende a dilatarsi più in un punto che nell’altro, ma che in ciò viene ostacolato. Anche una elevata conduttività termica è fondamentale, quindi.

Pistone di una moderna sportiva quadricilindrica da oltre 200 CV/litro, ottenuto per forgiatura (ovvero per stampaggio a caldo). Si pu&ograve; osservare chiaramente la fibratura assunta dal metallo — Pistone di una moderna sportiva quadricilindrica da oltre 200 CV/litro, ottenuto per forgiatura (ovvero per stampaggio a caldo). Si può osservare chiaramente la fibratura assunta dal metallo

Leghe speciali

Nelle portate si possono raggiungere pressioni di contatto con lo spinotto molto alte ed è importante che le caratteristiche meccaniche del materiale del pistone rimangano adeguate anche a caldo. Anche per questo motivo è quindi importante l’impiego di una lega la cui resistenza non subisca un forte scadimento a temperatura elevata.
Tra le leghe di alluminio, quelle oggi più impiegate per la fabbricazione dei pistoni hanno quasi tutte un tenore di silicio dell’ordine del 12%. Sono inoltre presenti in genere quantità assai minori (ma importanti ai fini delle caratteristiche del materiale) di rame, magnesio e nichel. Il coefficiente di dilatazione termica è pari a circa 21x10^-⁶ °C^-1 e la conduttività termica nella maggior parte dei casi supera leggermente i 145 W/(m K), valore all’incirca triplo, rispetto a quello degli acciai e delle ghise.
Per i pistoni destinati ai motori da competizione si utilizza la lega di alluminio da lavorazione plastica 2618, in grado di mantenere buone proprietà meccaniche a temperature più elevate. In questo caso il principale elemento presente è il rame; ad esso si aggiungono percentuali minori di magnesio, nichel e ferro. Questa lega, che ha un coefficiente di dilatazione termica più elevato, rispetto a quelle al silicio, inizia a trovare applicazioni anche sui modelli di serie particolarmente spinti, come il Ducati 1199.

I pistoni delle moto di serie di prestazioni elevate sono realizzati per stampaggio a caldo, come quelli destinati ai motori da competizione. Quando il numero di pezzi non giustifica l’investimento per un nuovo stampo, come può accadere per prototipi e per qualche motore da corsa, i pistoni possono essere ricavati dal pieno

Conchiglia e quando non basta, forgiatura

La stragrande maggioranza dei pistoni viene prodotta per colata in conchiglia. Il metallo fuso viene versato, per gravità, in uno stampo di acciaio. La parte interna del pistone viene ottenuta facendo ricorso a una anima metallica divisa in più parti. Il processo può essere automatizzato, almeno in buona misura.
Nei motori nei quali le sollecitazioni sono molto elevate si impiegano però pistoni ottenuti per forgiatura. In questo caso si parte da un pezzo cilindrico tagliato da una barra e lo si porta a elevata temperatura in forno, in modo da renderlo duttile e da consentirgli di scorrere nello stampo, sotto elevata pressione. Lo stampaggio viene quindi effettuato sotto una pressa. Il procedimento è notevolmente più costoso, rispetto alla fusione in conchiglia, ma consente di impartire al materiale caratteristiche migliori (derivanti da una grana cristallina più fine e omogenea, dalla totale assenza di microporosità e, in una certa misura, dalla fibratura). È inoltre possibile impiegare leghe diverse da quelle per fonderia, cosa essa pure vantaggiosa. Il pezzo grezzo che si ottiene, rispetto a quello prodotto per fusione ha una maggiore quantità di soprametallo, ossia di materiale che deve essere asportato mediante lavorazione meccanica per arrivare alle dimensioni e alla geometria finali. La forgiatura non consente di ottenere sottosquadri e quindi per realizzare eventuali nervature o svasature nelle portate, tra i fori per lo spinotto e il cielo, occorre fare ricorso a una lavorazione aggiuntiva, che si effettua mediante fresatura.

Da diversi anni a questa parte i pistoni delle moto di serie di prestazioni più elevate sono invariabilmente realizzati per stampaggio a caldo, come quelli destinati ai motori da competizione. In certi casi, quando il numero di pezzi prodotti non giustifica l’investimento necessario per un nuovo stampo, come può accadere per alcuni prototipi e per qualche motore da corsa, i pistoni possono anche essere ricavati dal pieno. Va anche menzionato un processo fusorio denominati squeeze casting, con riempimento lento dello stampo e metallo che successivamente viene sottoposto a una elevata pressione (in genere tra i 700 e i 1000 bar), mantenuta poi per tutta la fase di solidificazione. Trova impiego più che altro nella produzione di pistoni destinati a certi motori diesel, ma in campo motociclistico almeno un costruttore giapponese lo ha utilizzato per quelli di alcuni suoi motori a due tempi.

Il confronto tra le due immagini consente di visualizzare agevolmente le differenze tra un pistone fuso, a sinistra, e uno forgiato, destinati rispettivamente a una versione pi&ugrave; tranquilla (Kawasaki 636) e a una pi&ugrave; spinta (ZX-R 600) di uno stesso motore — Il confronto tra le due immagini consente di visualizzare agevolmente le differenze tra un pistone fuso, a sinistra, e uno forgiato, destinati rispettivamente a una versione più tranquilla (Kawasaki 636) e a una più spinta (ZX-R 600) di uno stesso motore

Ma non è finita

Dopo il trattamento termico (necessario per ridurre le tensioni interne e per stabilizzare la struttura del materiale, oltre che per migliorarne le caratteristiche) i pistoni vengono sottoposti alle lavorazioni meccaniche, mediante le quali dal grezzo si arriva al prodotto finito. In molti casi sul mantello (ma talvolta su tutto il componente) viene applicato un riporto che migliora la scorrevolezza in caso di lubrificazione critica, agevola il rodaggio e può anche contribuire a ridurre le emissioni acustiche. Si impiegano spesso strati di resina nei quali sono disperse particelle di lubrificante solido come grafite o bisolfuro di molibdeno. L’applicazione viene effettuata per serigrafia, spruzzatura o, meno frequentemente, per immersione. Altre volte l’intero pistone viene fosfatato, in modo da creare un sottilissimo film superficiale con forte capacità di ritenzione dell’olio. Per motivi ecologici sono stati abbandonati i riporti galvanici di piombo, mentre hanno tuttora una discreta diffusione quelli di stagno, metallo tenero, con ridotto coefficiente di attrito e basso punto di fusione.

Per quanto riguarda la lubrificazione dello spinotto all’interno delle portate, mentre nei pistoni destinati a motori relativamente tranquilli si impiegano piccoli fori radiali per il passaggio dell’olio, in quelli per le moto di prestazioni molto elevate si utilizzano due fresature assiali, praticate nelle zone meno caricate. Al fine di ridurre i picchi di pressione in corrispondenza del suo margine interno (cioè quello rivolto verso la biella), il foro per lo spinotto di ciascuna portata viene opportunamente svasato.