Ottimizzazione di materiali e trattamenti per componenti critici destinati a motociclette da competizione

L’attività svolta durante il dottorato è stata incentrata su due tematiche riguardanti: (i) la modifica della composizione chimica delle classiche leghe di alluminio da fonderia per incrementarne la resistenza e stabilità termica; (ii) lo studio del comportamento a fatica di acciai innovativi alto-resistenziali, allo scopo di valutarne il loro utilizzo per la produzione di alberi motore e distribuzione in sostituzione dei tradizionali acciai utilizzati dopo bonifica e trattamento superficiale di nitrurazione. La messa a punto di una lega di alluminio da fonderia con elevata resistenza in temperatura ha richiesto, oltre all’individuazione della composizione chimica, l’ottimizzazione del trattamento termico e una completa caratterizzazione meccanica statica a fatica sia a temperatura ambiente sia a 200°C. L’attività ha permesso di sviluppare una lega, ottenuta aggiungendo 1,3% in peso di rame alla classica lega A357 (Al-Si-Mg), cha ha mostrato avere proprietà meccaniche superiori a quelle delle tradizionali leghe Al-Si-Mg-Cu quali la A354 e C355 sia a temperatura ambiente che a 200 °C dopo lunga esposizione in temperatura. Per quanto riguarda gli acciai innovativi, dopo una preliminare analisi di mercato per individuare quali acciai potessero essere oggetto di studio, è stato valutato come migliorarne le prestazioni a fatica, anche in presenza d’intaglio, attraverso la scelta del trattamento termico più opportuno e del processo di pallinatura. I risultati delle caratterizzazioni microstrutturale e meccanica svolte hanno permesso di individuare due acciai (nomi commerciali K890 e ASP2017) ottenuti per metallurgia delle polveri, ad oggi utilizzati solo per la produzione di stampi e/o utensili, in grado di sostituire gli acciai con cui vengono oggi realizzati i componenti, senza la necessità di eseguire il trattamento di nitrurazione

Innovative Al Alloys for High Performance Automotive Pistons: Enhancement of Specific Strength at High Temperature and Resistance to Knock Damage

The increasingly strict regulations on greenhouse gas emissions make the fuel economy a pressing factor for automotive manufacturers. Lightweighting and engine downsizing are two strategies pursued to achieve the target. In this context, materials play a key role since these limit the engine efficiency and components weight, due to their acceptable thermo-mechanical loads. Piston is one of the most stressed engine components and it is traditionally made of Al alloys, whose weakness is to maintain adequate mechanical properties at high temperature due to overaging and softening. The enhancement in strength-to-weight ratio at high temperature of Al alloys had been investigated through two approaches: increase of strength at high temperature or reduction of the alloy density. Several conventional and high performance Al-Si and Al-Cu alloys have been characterized from a microstructural and mechanical point of view, investigating the effects of chemical composition, addition of transition elements and heat treatment optimization, in the specific temperature range for pistons operations. Among the Al-Cu alloys, the research outlines the potentialities of two innovative Al-Cu-Li(-Ag) alloys, typically adopted for structural aerospace components. Moreover, due to the increased probability of abnormal combustions in high performance spark-ignition engines, the second part of the dissertation deals with the study of knocking damages on Al pistons. Thanks to the cooperation with Ferrari S.p.A. and Fluid Machinery Research Group - Unibo, several bench tests have been carried out under controlled knocking conditions. Knocking damage mechanisms were investigated through failure analyses techniques, starting from visual analysis up to detailed SEM investigations. These activities allowed to relate piston knocking damage to engine parameters, with the final aim to develop an on-board knocking controller able to increase engine efficiency, without compromising engine functionality. Finally, attempts have been made to quantify the knock-induced damages, to provide a numerical relation with engine working conditions.