Trattamenti superficiali e rivestimenti in una moto da competizione

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1 Trattamenti superficiali e rivestimenti in una moto da competizione Faenza, 20 Maggio 2014 Tecnologie dei Materiali Messieri Simone Divisione Ducati Corse 1

2 Divisione Ducati Corse Dal 1999, Ducati Corse riunisce sotto un'unica gestione tutte le attività sportive del marchio Circa 100 dipendenti Impegno ufficiale nei campionati mondiali MotoGP e SBK 2

3 R&D Materiali e Tecnologie RESOURCES AGE EXPERIENCE corse division years 7 motor division 10 + years

4 Funzione dell ente Materiali e tecnologie QUALITA 4

5 Attività svolte dall ente Materiali e tecnologie Failure Analysis Controlli non distruttivi Supporto alla progettazione Ricerca e sviluppo 5

6 Failure Analysis Identificazione della morfologia di rottura al fine di determinare la causa del cedimento 6

7 Controlli non distruttivi Valutazione di difetti/avarie su componenti attraverso controlli non distruttivi - 7 Liquidi penetranti Magnetoscopia Esami RX Ultrasuoni Endoscopia

8 8 Supporto alla progettazione

9 Obiettivi 9 Massimizzare il rapporto Potenza/Peso Affidabilità in pista Performance Elevato rapporto Potenza/Peso Affidabilità in strada Mantenere costi coerenti al prodotto Design

10 Ricerca e sviluppo materiali e tecnologie Definizione materiali e processi Caratterizzazione materiali Ottimizzazione di cicli di trattamento termico Caratterizzazioni tribologiche Definizione trattamenti superficiali 10

11 Materiali utilizzati in una moto da competizione Acciai (Cementazione, Bonifica, altoresistenziali, Inox, Ph, etc) Leghe di Alluminio (fusione, deformazione plastica) Leghe di Titanio (deformazione, plastica) Leghe di Magnesio (fusione, deformazione plastica) Superleghe Materiali compositi polimerici 11

12 Trattamenti superficiali Trasformazione del materiale di base Apporto di materiale 12 Trattamenti termochimici (carbocementazione,nitrurazione,etc) Trattamenti di conversione superficiale (fosfatazione,cromatazione,ossidazione anodica) Shoot peening e rullatura Trattamenti di deposizione chimica ed elettrochimica (Ni,Ni+PTFE,etc) Trattamenti di deposizione da fase vapore (PVD,CVD,PACVD) Thermal spray (HVOF,D-Gun,etc) Verniciatura

13 Principali motivi per cui trattare le superfici metalliche Protezione dalla corrosione Incremento della resistenza ad usura Incremento della resistenza alla fatica Riduzione del coefficente di attrito Incremento del coefficiente di attrito 13

14 14 ALCUNI ESEMPI APPLICATIVI

15 Telaio monoscocca in lega di Mg Materiale base:lega di Mg Processo: Fusione in sabbia Trattamento superficiale: PEO+verniciatura Struttura monoscocca, che oltre ad assolvere alla funzione classica di telaio, il monoscocca funge anche da air-box alloggiando al suo interno iniettori, corpo farfallato. Riduzione di ben 5kg del peso complessivo della nuova moto 15

16 Telaietto Posteriore Monolitico Materiale base: Lega Al-Si Processo: Fusione in conchiglia Trattamento superficiale: verniciatura La struttura monolitica, fusa in alluminio, ha permesso di aumentarne la rigidezza generale della moto utilizzando come punti di vincolo sia il motore Superquadro sia il telaio monoblocco. Peso complessivo di soli 2,04 kg 16

17 Serbatoio in Alluminio Materiale: EN AW 5754-H111 Processo: Deformazione plastica a freddo e saldatura Trattamento superficiale: verniciatura Maggior capienza ( 17lt ) a parità di forma rispetto al serbatoio in poliammide. Design ricercato senza bisogno di utilizzo di cover Peso: -1,9 kg vs

18 Cerchi ruota Materiale base: Lega di Mg Processo: Forgiatura Trattamento superficiale: Ossidazione anodica (20 μm)+verniciatura 18

19 Canna cilindro Materiale base: EN AW 2618 (140 HBW) ; EN AC 4032 (120 HBW) Processo: Forgiatura Trattamenti superficiali: Superficie di scorrimento interna Rivestimento composito Ni+SiC Superficie di accoppiamento esterna Rivestimento composito Ni+PTFE Ni+PTFE (Deposizione chimica) Spessore riporto 5 10 μm Durezza riporto HV Percentuale rinforzo (PTFE) % Ni+SiC (Elettrodeposizione) Spessore riporto μm Durezza riporto HV Percentuale rinforzo (SiC) 8 15 % 19

20 Superficie interna canna cilindro (Usura abrasiva) Soggetta principalmente ad usura da strisciamento per effetto del contatto con i segmenti / raschiaolio (acciaio rivestito, acciaio nitrurato,ghisa) Per garantire un regime di usura moderato è necessario mantenere una adeguata lubrificazione dell assieme pistone/segmento/cilindro. A tal proposito la superficie interna della canna deve avere una corretta morfologia superficiale.. La morfologia colonnare del riporto Ni+SiC grezzo non è in grado di garantire il corretto regime di lubrificazione, è necessario effettuare una opportuna lavorazione di levigatura del riporto Ni+SiC. Ni+SiC grezzo Ni+SiC levigato 20

21 Superficie esterna canna cilindro (Usura da fretting) La superficie di centraggio inferiore della canna cilindro è soggetta ad usura da fretting. Al fine di prevenire la formazione di crateri superficiali e conseguente nucleazione di fenomeni di fatica da fretting la superficie in questione viene rivestita con NI+PTFE. Ni+PTFE 21

22 Albero motore e albero distribuzione Massimizzazione della resistenza alla fatica mediante l applicazione di un trattamento termochimico di nitrurazione gassosa. La formazione di nitruri nella zona superficiale di diffusione genera sia un incremento delle caratteristiche resistenziali che uno stato di tensioni residue di compressione. Zona di diffusione Materiale base: Acciaio al CrMo, CrMoV Trattamento termico: Tempra+Rinvenimento a C Trattamento termochimico: Nitrurazione gassosa Trattamento superficiale: doppia rettifica e finitura isotropica 22

23 Albero motore e albero distribuzione Utilizzando acciai specifici da nitrurazione (31CrMoV12 o 30CrMoV9) ed applicando cicli di nitrurazione profonda (durata di 100h per ottenere almeno 0.5 mm di profondità di trattamento) è possibile quasi raddoppiare la resistenza a fatica del componente (σf Bonificato = 600 Mpa ; σf Bonificato+Nitrurato = 1000 MPa ). Dal punto di vista durometrico si raggiungono durezze superficiali piuttosto elevate ( HV) Confronto Nitrurazioni GKHW 100h GKHW 80h GKPYW 100h HV Prof. [mm]

24 Albero motore e albero distribuzione Il trattamento termochimico di nitrurazione comporta la formazione di una zona superficiale molto dura (1000 HV) di spessore variabile in funzione del ciclo di trattamento (3 30 µm), denominata coltre bianca. La coltre bianca essendo molto dura è anche molto fragile, quindi in applicazioni spinte è consigliabile eliminarla onde evitare che in funzionamento possa staccarsi causando problematiche di usura precoce dei componenti. L asportazione della coltre bianca viene effettuata mediante lavorazione meccanica di rettifica. Coltre bianca 24

25 Valvole di scarico e aspirazione Valvola di scarico Materiale Lega di Ti Trattamento termico Specifico per massimizzare le caratteristiche resistenziali a T superiori a 600 C Caratteristiche meccaniche: Rm=1000 MPa (T.amb) Rm= 500 MPa (700 C) 340 HV Valvola di aspirazione Materiale Lega di Ti Trattamento termico Specifico per massimizzare le caratteristiche resistenziali a T inferiori a 600 C Caratteristiche meccaniche: Rm=1300 MPa (T.amb) Rm= 350 MPa (700 C) 400 HV 25

26 Valvola di scarico 1 2 L esempio in oggetto è molto didattico in quanto comprende simultaneamente diverse applicazioni di trattamenti con scopi funzionali differenti : 3 Zona 1 Rivestimento PVD a base CrN (antiusura) Zona 2 Trattamento di Shoot peening (incremento della resistenza a fatica locale del componente) Zona 3 Rivestimento a base Mo applicato mediante spruzzatura termica (antiusura/antiattrito) Zona 4 Rivestimento PVD a base CrN (antiusura/antiossidazione superficaili ) 4 26

27 Valvola di scarico 1 CrN Zona 1 Rivestimento PVD a base CrN depositato mediante tecnologia ad arco (spessore 3 6 µm ; durezza pari a 3000 HV) Funzionalmente il rivestimento deve resistere all usura da strisciamento dell antagonista realizzato in acciaio da utensili ( HV) 27

28 Valvola di scarico 2 Zona 2 Trattamento di shoot peening con lo scopo di incrementare la resistenza a fatica locale del componente. Le tensioni residue di compressione introdotte dalla pallinatura si sovrappongono a quelle derivante dai carichi esterni alla stregua di una tensione media di compressione ritardando o rendendo impossibile il propagarsi della cricca. 28

29 Valvola di scarico Mo Coating 3 Zona 3 Rivestimento a base Mo applicato mediante spruzzatura termica (spessore 60 µm ; durezza pari a HV)- Dal punto di vista funzionale deve prevenire l usura del materiale base (350 HV) 29

30 Valvola di scarico Zona 4 Rivestimento PVD a base CrN depositato mediante tecnologia ad arco (spessore 3 6 µm ; durezza pari a 3000 HV) Funzionalmente il rivestimento deve resistere a : usura da impatto e da strisciamento alla quale è soggetta la zona in oggetto, l antagonista è una lega di Cuavente durezza pari a 400 HV. ossidazione a caldo (T di funzionamento superiori a 700 C) prevenendo al formazione di α-case. 4 30

31 Valvola di aspirazione Oltre che per il trattamento termico la valvola di aspirazione differesce da quella di scarico per la presenza in zona 4 di un rivestimento DLC.su substrato di CrN. Strato 1 Riporto CrN (spessore 1 µm ; durezza pari a 3000 HV) Strato 2 Riporto DLC (spessore 2 µm ; durezza pari a 2500 HV) Lo strato funzionale, costituito da DLC, deve resistere a : usura da impatto e da strisciamento alla quale è soggetta la zona in oggetto, l antagonista è una lega di Cu avente una durezza pari a 400 HV. 4 31

32 Bilanciere distribuzione Il passaggio da rivestimento a base Cr elettrolitico a rivestimento depositato da fase vapore (mediante tecnologia PACVD) ha migliorato le caratteristiche tribologiche del componente. Cr 800 HV ; µ= 0.3 DLC 2500 HV ; µ<

33 Biella in lega di Ti Materiale: Ti6Al4V (Grado 5) Processo: Forgiatura Trattamento superficiale: CrN (antiusura) 33