Verona, 22 Gennaio 2010. Per ridurre le emissioni di CO2 e migliorare il consumo di carburante, i costruttori di veicoli chiedono sempre maggiori potenze da motori sempre più piccoli.

Federal-Mogul, leader mondiale nella componentistica automotive, ha sviluppato un'innovativa tecnologia per i suoi pistoni in alluminio, che li rende in grado di supportare gli elevati carichi meccanici e termici prodotti dai sempre più potenti motori diesel, migliorandone così le performance. La tecnologia, denominata DuraBowl®, rinforza il margine della camera, ricavata nel pistone, tramite una ri-fusione locale della lega, migliorandone in modo significativo la resistenza alla fatica, in tale zona particolarmente sollecitata. Ne risulta un'estensione della vita del motore, da 4 a 7 volte superiore a quella assicurata da un pistone fuso.

Nell'ultimo decennio, le tipiche potenze di un motore diesel sono cresciute dai 50kW/l ai 70kW/l. In base a quanto afferma Rainer Juestock, Federal-Mogul senior vice president of Powertrain Energy, a causa delle legislazioni sempre più restrittive legate alla riduzione della CO2 nei principali mercati, la tendenza all'incremento della potenza sta verosimilmente accelerando. "L'aumento delle potenze implica sempre maggiori carichi termici e meccanici su molti dei componenti per i quali Federal-Mogul possiede già una forte expertise", prosegue Juestock. "Il processo DuraBowl per i pistoni è un esempio di quanto Federal-Mogul sia in grado di fornire tecnologie capaci di aiutare la clientela ad affrontare con successo le nuove sfide che il mercato pone".

Per saperne di più

La combustione in un motore diesel ha luogo in una camera ricavata nel cielo del pistone, ove le temperature dei gas possono superare i 400°C e le pressioni i 200 bar. Nelle sempre più severe condizioni in cui ha luogo perciò la combustione, il bordo della camera presenta un'elevata possibilità di formazione di crepe e successiva rottura. In seguito ad approfondite analisi, gli ingegneri Federal-Mogul hanno capito che i cedimenti di tipo sia termico sia meccanico della camera possono essere ricondotti alla presenza di particelle primarie di silicio distribuite all'interno della matrice di alluminio. L'alluminio si espande otto volte di più del silicio, perciò si generano stress nel pistone ogniqualvolta la temperatura varia. In più, carichi meccanici ripetuti, in corrispondenza di ogni fase di espansione, possono risultare in cedimenti di fatica dai bordi delle particelle di silicio. Il silicio è un elemento indispensabile in queste leghe di alluminio, in quanto migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione, quindi non può essere eliminato.

L'unica soluzione a questo problema, almeno fino ad oggi, è stata quella di realizzare pistoni rinforzati tramite fibre. "I pistoni rinforzati tramite fibre aumentano la complessità produttiva dato che la lega fusa deve infiltrarsi nelle fibre durante la colata" afferma Frank Doernenburg, Federal- Mogul director of technology, pistons and pins. "In più, non esiste ancora un modo affidabile e non distruttivo per testare l'integrità della parte finita, mentre con il processo DuraBowl siamo in grado di effettuare un test non distruttivo per assicurare la qualità".

La soluzione Federal-Mogul è quella di pre-lavorare il pistone fuso e quindi rifondere la lega intorno al bordo della camera del pistone. "Il processo è fisicamente semplice e qui sta la forza e l'efficacia della nostra soluzione" afferma Doernenburg. "La raffinatezza risiede nel controllo dei parametri chiave, che assicura una qualità costante. Il risultato è un prodotto tecnologicamente avanzato, dalle elevate performance e molto competitivo in termini di costi, se paragonato sia a quello relativo a pistoni rinforzati sia a quello per pistoni in acciaio".

La lega ri-fusa si raffredda mille volte più velocemente di quanto facesse in origine, cosa che porta ad avere particelle di silicio dieci volte più piccole. Gli ingegneri metallurgici si riferiscono a questo processo come affinamento della microstruttura, tecnica riconosciuta per aumentare la robustezza e la durata delle leghe metalliche. I benefici tecnologici e in termini di costo sono stati validati durante intensi test motoristici, effettuati sia da Federal-Mogul sia dalla sua clientela.

Doemenburg così conclude: "il processo di ri-fusione aumenta sicuramente la vita del pistone e migliora sostanzialmente le performance, contribuendo parallelamente alla diminuzione dei consumi e alla riduzione delle emissioni di CO2. Una stima prudente ci consente di affermare che la vita di un qualsiasi pistone fuso che sia soggetto a cedimenti in corrispondenza del bordo della camera può aumentare di un fattore 4. La tecnologia DuraBowl é già stata impiegata in un motore diesel altamente performante di un importante costruttore di veicoli".

La metallurgia di DuraBowl®

Il processo innovativo di ri-fusione ideato da Federal-Mogul per la lega alluminio-silicio, combinato con un processo rapido di raffreddamento, modifica in modo considerevole la microstruttura della lega, riducendo le dimensioni delle particelle di silicio e dei composti intermetallici di elevata durezza. Ne risulta un bordo della camera del pistone i cui primi millimetri aumentano in modo significativo la robustezza dell'alluminio, supportando i costruttori di motori negli sforzi volti al downsizing o allo sviluppo di motori turbo, quando sono necessarie maggiori potenze.

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