Selezione dei materiali e delle tecniche di deposizione per la sostituzione di cuscinetti a strisciamento con rivestimenti superficiali in ambito racing

In ambito automotive e in modo particolare nel motor sport i motori a combustione interna rappresentano ancora il principale sistema di propulsione, nonostante la forte spinta alla produzione di veicoli elettrici. Una consistente parte del corpo degli studi in ambito tribologico si concentra sullo sviluppo e il miglioramento dei trattamenti superficiali su componenti meccanici del motore con l’obbiettivo di aumentarne l’efficienza, le prestazioni e ridurre le emissioni. I cuscinetti a strisciamento, che nei motori a combustione interna sono in materiale metallico e vengono denominati bronzine, facilitano il movimento relativo tra gli organi del motore, riducono gli attriti e l’usura tra le parti, trovando applicazione tipicamente sia sull’ albero motore che sull’albero a camme. All’interno di questo lavoro di tesi è stata svolta un’analisi di letteratura per individuare trattamenti adatti alla sostituzione delle bronzine che vengono interposte tra le bielle e i perni dell’albero motore, in ambito racing, laddove lavorano ad elevato numero di giri e con forti sollecitazioni meccaniche. Considerando le normative ambientali (direttiva 2000/53/UE) che hanno portato alla rimozione del piombo dalle leghe di bronzo impiegate per la produzione dei cuscinetti, ne deriva la necessità di ricercare soluzioni alternative che garantiscano caratteristiche tribologiche comparabili a queste in ambito racing. Una strategia per la loro sostituzione è quella di agire direttamente sulla superficie della biella mediante dei trattamenti di modifica superficiale, con l’obbiettivo di eliminare, o quantomeno ridurre, problematiche legate a fenomeni di fretting che si verificano sulla superficie della biella a contatto con la bronzina a regimi di rotazione dell’albero motore molto elevati. Analizzando la letteratura disponibile sui trattamenti superficiali per la riduzione del coefficiente di attrito in applicazioni tribologiche, e traducendo le possibili strategie rispetto ai vincoli tecnologici presenti nell’applicazione mediante analisi su semicuscinetti impiegati in motori ad alte prestazioni, sono state definite due possibili strategie di trattamento superficiale in soluzione al problema. Entrambe prevedono la deposizione sulla biella di un primo strato di rivestimento, di spessore più elevato (200-400 μm), in lega di bronzo a basso coefficiente d’attrito depositato mediante thermal spraying. Le due soluzioni si differenziano quindi per lo strato superficiale, più sottile (circa 20 μm), depositato sopra quello in bronzo. Le due diverse categorie di coating individuate sono il MoS2 inglobato in resina epossidica e il PTFE caricato con materiali autolubrificanti come la grafite e il MoS2. Tali soluzioni, in via di implementazione, mirano a rispondere ai requisiti di compromesso tra la riduzione del coefficiente d’attrito fino a valori pari a μ=0,001, il contenimento dei tassi d’usura e l’incremento della resistenza a fatica.