Nel mondo dei rivestimenti

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Sui bilancieri dei motori da competizione e di alcune moto molto sportive si applica un sottile rivestimento di DLC, durissimo e dal ridotto coefficiente di attrito

In campo meccanico sono tutt’altri che rari i casi nei quali un componente non si rivela all’altezza della situazione in fatto di resistenza all’usura da strisciamento o abrasiva, oppure non è in grado di sopportare elevate pressioni localizzate senza deformarsi plasticamente. La soluzione al problema in genere appare semplice: basta sostituire il materiale con un altro avente caratteristiche adeguate. E aumentare la sua durezza superficiale mediante opportuno trattamento. È questo il caso, per esempio, dei denti degli ingranaggi, trattati in modo da indurire solo lo strato più esterno dell’acciaio, ma mantenendo tenera, e pertanto tenace, la parte interna. Lo stesso vale per i perni destinati a lavorare su rullini e per altri organi meccanici (come molte camme).
L’indurimento superficiale si ottiene mediante cementazione, tempra a induzione o altro trattamento adeguato. Purtroppo procedere in questo modo non è sempre possibile o può non risultare conveniente. Allora è possibile realizzare solo una certa parte del componente in materiale duro e quindi unirla saldamente all’altra. È tipico l’esempio dei blocchi cilindri in lega di alluminio nei quali vengono installate con interferenza o sono incorporate all’atto della fusione delle canne in ghisa. Anche alcuni bilancieri vengono talvolta dotati di una placchetta in metallo duro nella quale è ricavato il pattino sul quale va a lavorare la camma. Ci sono però svariati casi nei quali questo non si può fare, per ragioni di ingombro, di convenienza costruttiva o altro. Si ricorre allora a un riporto superficiale, ovvero a un sottile strato di materiale, diverso da quello con il quale è realizzato il componente, che può essere applicato impiegando varie tecnologie. Naturalmente il substrato (cioè il materiale base, nella zona interessata) deve possedere adeguate caratteristiche e avere una adatta finitura superficiale.

Cromatura “dura”
Molto impiegata è la cromatura “dura”, da non confondere con quella estetica. In questo caso si applica per via elettrolitica uno strato di cromo, avente una durezza dell’ordine di 800 – 1200 punti Vickers. Riporti di questo materiale si impiegano diffusamente sugli steli delle valvole (lo spessore generalmente va da 3 a 7 micron), sui segmenti dei pistoni e sui pattini dei bilancieri (0,03 – 0,05 mm); in quest’ultimo caso l’acciaio sottostante deve essere indurito mediante cementazione. In passato anche sui cilindri in lega di alluminio sono stati impiegati dei sottili rivestimenti di cromo, particolarmente in campo moto, per ridurre il peso e per ottenere un miglior smaltimento del calore, rispetto a quanto ottenibile con le canne riportate in ghisa. In seguito però nei motori motociclistici sono stati i riporti di nichel più particelle dure a prendere il sopravvento. Grazie ad essi si sono infatti ottenuti risultati nettamente migliori in termini di durata, di resistenza all’ingranamento e di rapidità di adattamento dei segmenti. Il cromo non ha molta affinità per l’olio e per questa ragione occorreva praticare sulla sua superficie delle minuscole depressioni, delle crepe o dei solchi in grado di trattenere e di distribuire opportunamente il lubrificante; inoltre in certi casi c’era il rischio di distacchi localizzati, ovvero di “sfogliatura” del riporto. I moderni rivestimenti per cilindri motociclistici (sulle auto di serie la loro diffusione è decisamente modesta, a differenza delle monoposto di Formula Uno, che li impiegano universalmente) sono costituiti da uno strato di nichel avente uno spessore di 0,05 – 0,08 mm e una durezza di circa 600 punti Vickers, nel quale sono disperse delle particelle di carburo di silicio del diametro di 2,0 – 2,5 micron e della durezza di 2200 – 2500 punti Vickers. Il più noto di questi rivestimenti è il Nikasil della Mahle, azienda tedesca alla quale si deve lo sviluppo di questa tecnologia (nata negli anni Sessanta per gli statori dei motori Wankel).

Deposizione di tipo PVD
Una famiglia di riporti superficiali che si è prepotentemente imposta all’attenzione dei tecnici negli ultimi anni prevede l’impiego di una tecnica di deposizione non galvanica ma di tipo PVD (Physical Vapor Deposition). Spiccano qui i processi di formazione dello strato di materiale per evaporazione, per bombardamento ionico (sputtering) e per placcatura ionica (ion plating).
Si tratta in genere di rivestimenti che abbinano una elevatissima durezza a un coefficiente d’attrito particolarmente ridotto, nati quasi tutti per essere applicati sugli utensili per lavorazioni meccaniche. Uno dei primi a trovare impiego sulle auto e sulle moto è stato il TiN (non è un acronimo ma la formula del nitruro di titanio!), che in genere viene depositato sotto forma di singolo strato monocristallino dello spessore di 1-5 micron; arriva a 2500 punti Vickers e assicura una grande resistenza all’usura, tanto di strisciamento quanto di tipo abrasivo, unitamente a una ottima scorrevolezza. Tra gli impieghi vanno citate le canne delle forcelle delle moto sportive (ove sostituisce vantaggiosamente il classico cromo) e alcune valvole di aspirazione in titanio per motori di alte prestazioni.
I riporti di TiAlN (nitruro di titanio e alluminio) possono essere sia monostrato che multistrato; la loro durezza supera i 3000 punti Vickers e il coefficiente di attrito è inferiore rispetto a quello, già ottimo, del TiN. Ancora migliore, sotto questo aspetto, è il WC/C, costituito da sottilissimi strati alternati di carbonio amorfo e di carburo di tungsteno; viene largamente impiegato per gli ingranaggi dei cambi e dei motori da competizione.

Quelli col carbonio
Con l’acronimo DLC (Diamond Like Carbon, ovvero carbonio simile al diamante) si indica in effetti una intera famiglia di riporti superficiali, nei quali il carbonio è presente in due forme, ossia quella tipica del diamante (legami sp3) e quella tipica della grafite (sp2). I due tipi sono mescolati su nanoscala e la prevalenza dell’uno o dell’altro influenza in maniera determinante le caratteristiche del riporto. Queste ultime sono anche fortemente legate alla eventuale presenza di idrogeno e, in diversi casi, di metalli (DLC “dopato”). Si tratta di rivestimenti generalmente amorfi, che vengono applicati in spessori che usualmente sono dell’ordine di 2-4 micron, e che sono caratterizzati da una straordinaria resistenza all’usura e da un coefficiente d’attrito estremamente basso. La deposizione avviene sotto vuoto, con sistemi PVD o PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Si possono ottenere film sottili dotati di una buona flessibilità e in grado di conformarsi accuratamente alle superfici. È di grande importanza che prima della applicazione ai componenti vanga impartita una elevatissima finitura superficiale (Ra dell’ordine di 0,025 micron!). Per ottenerla si fa ricorso di norma a sofisticati sistemi chimico-meccanici come l’ISF della REM o il Keramo-finish della Rosler. I riporti di DLC vengono da tempo impiegati sui motori da competizione e su quelli di alcune moto sportive di elevato livello, ma il loro uso si sta estendendo ed è prevedibile la loro futura adozione anche su normali autovetture di serie. I componenti interessati (per il momento) sono i bilancieri, gli spinotti e i segmenti. I riporti per spruzzatura termica vengono applicati mediante procedimenti ad arco, alla fiamma o al plasma. Consentono la deposizione di rivestimenti metallici, come ad esempio quelli di molibdeno impiegati per molti segmenti per pistoni. Su alcuni di essi (applicati con tecnologie plasma spray) si stanno concentrando le attenzioni di diversi costruttori automobilistici, per realizzare depositi destinati alle canne dei cilindri dei blocchi in lega di alluminio.

1 COMMENTO

  1. Nei cilindri di moto Ural di diametro 78mm si può passare a pistoni da 80 ? Che fine fa l’indurimento della superficie con una tale rettifica ?

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