I materiali di costruzione giocano un vero ruolo determinante. Analizziamo nel dettaglio le norme che regolano la costruzione dei nuovi Motori F1 V6 Turbo.
Una vettura da competizione ad alte prestazioni è un concentrato di ricerca tecnologica, e poco importa se più o meno spinta all’eccesso. Tale ricerca passa anche – e diremmo in larga parte – attraverso lo sviluppo dei materiali, in tutte le loro gamme e composizioni.
Nel particolare, focalizzeremo la nostra attenzione sui materiali contemplati dal Regolamento Tecnico FIA Formula 2014 e impiegabili per la realizzazione delle nuove unità V6 Turbo.
GENERALITA’
Nell’Articolo 5.15 “Materials and Construction–Definitions” (e relativi sotto-articoli, sino al 5.15.6) del Regolamento Tecnico Formula 1 2014, compaiono le definizioni dei molteplici materiali, impiegabili o soggetti a determinate restrizioni: lega a base di X (ad esempio, lega a base di Ni, Nichel: in questo caso l’elemento X deve essere in percentuale preponderante), lega a base di X-Y (ad esempio, lega a base di Al-Cu, Alluminio-Rame: l’elemento X è in percentuale maggiore rispetto ad Y, elemento secondario), materiali intermetallici (TiAl – alluminuro di Titanio –, NiAl – alluminuro di Nichel –, FeAl – alluminuro di Ferro –, Cu3Au – auricuprite –, NiCo – Nichel-Cobalto), materiali compositi, Compositi Metal Matrix (MMC), materiali ceramici (ad esempio, Al2O3 – ossido di Alluminio o allumina –, SiC – carburo di Silicio –, B4C – carburo di Boro –, Ti5Si3 – siliciuro di Titanio –, SiO2 – Silice –, Si3N4 – nitruro di Silicio).
Per ogni classe di materiali, pertanto, viene illustrata la definizione chimica.
Come si deduce facilmente, lo spettro dei materiali impiegabili o oggetti a restrizione è ampio e assai diversificato.
I materiali intermetallici sono composti assai ricercati e chimicamente complessi. Essi, nei tratti salienti, sono formati dall’unione di due o più metalli, i quali, occupando con disposizione regolare i punti di un reticolo (fasi intermetalliche o fasi intermedie), vanno a comporre una struttura cristallina.
I materiali compositi (più o meno sulla bocca di tutti), invece, nascono dall’unione di diversi materiali diversificati nelle proprie funzioni (matrice e rinforzo). Vasti gli impeghi di tali compositi, come ampia è la classificazione, eseguita in base alla tipologia della matrice: PMC (Polymer-Matrix Composite), MMC (Metal-Matrix Composite), CMC (Ceramic-Matrix Composite). Il Regolamento, peraltro, separa – in fase di definizioni – i Metal-Matrix Composite da tutti gli altri materiali compositi.
Infine, si prendono in esame i materiali ceramici (in campo motoristico, si impiegano i ceramici avanzati), particolari composti inorganici contenenti elementi metallici e non metallici (ossidi, nitruri, carburi), ottenuti medianti particolari processi chimici ed industriali e caratterizzati da ragguardevoli prestazioni funzionali e strutturali.
MOTORE
Al punto 5.16.1 “Materials and construction–General”, il Regolamento enuncia i materiali il cui impiego è vietato per la realizzazione di qualsiasi organo del motore, fatte eccezione utilizzi assai specifici: leghe a base di Magnesio, Compositi Metal-Matrix (MMC), materiali intermetallici, leghe contenenti più del 5% del peso di Iridio e Renio, leghe a base di Rame contenenti più del 2,75% di Berillio, altre leghe contenenti più dello 0,25% di Berillio, leghe al Tungsteno, materiali ceramici e Ceramic-Matrix Composites (CMC).
Come accennato, il Regolamento concede eccezioni all’uso di tali materiali.
I rivestimenti, pertanto, sono contemplati, tuttavia il loro spessore totale non deve superare il 25% della sezione dello spessore del materiale base. In ogni caso, lo spessore relativo del rivestimento non deve superare 0,8mm.
Inoltre, è concesso l’impiego di rivestimenti speciali sulla superficie esterna degli scarichi con funzione isolante. Non solo: l’uso delle leghe al Magnesio, quando permesse, debbono essere disponibili in forma non esclusiva, pertanto in vendita a normali condizioni commerciali a tutti i concorrenti. Infine, possono essere impiegate solo leghe al Magnesio sottoposte a normativa ISO16220 e debitamente approvate dalla FIA.
Con il punto 5.17 “Materials and construction–Components” e relativi sotto-articoli, la FIA stabilisce i materiali di costruzione per ogni organo meccanico del motore.
I pistoni debbono essere realizzati secondo le specifiche dell’articolo 5.16 (vietate le leghe al Titanio), gli spinotti debbono essere lavorati dal pieno e realizzati in lega a base di Ferro, le bielle debbono essere realizzate in lega di Ferro o Titanio, ricavate dal pieno e non debbono presentare saldature o assemblaggi supplementari (eccezion fatta per testa e piede di biella). E ancora: l’albero motore deve essere realizzato con leghe a base di Ferro; nessun materiale che presenti una densità superiore ai 18,400 Kg/m3 può essere assemblato all’albero motore. Suddette parti assemblate all’albero motore, tuttavia, possono essere realizzate con materiali a base di Tungsteno (materiale solitamente impiegato per la fabbricazione dei riporti metallici con funzione di contrappeso).
Gli alberi a camme – alberi ed eccentrici debitamente ricavati dal pieno – debbono essere realizzati con leghe a base di Ferro. Le valvole debbono essere realizzate con materiali intermetallici o leghe a base di Alluminio, Ferro, Nichel, Cobalto, Titanio. È consentito raffreddare le cavità con Sodio, Litio o similari. Inoltre, le restrizioni enunciate negli articoli 5.16.2 (rivestimenti superficiali) e 15.1.2 (nessuna parte della vettura può essere realizzata con materiali aventi un modulo specifico di elasticità superiore a 40GPa/(g/cm3) – GPa, ossia gigapascal, n.d.r.) non sono da applicare alle valvole.
Il Regolamento prosegue. Le componenti con moto rotatorio o alternato non debbono essere realizzate con matrici grafitiche, compositi Metal-Matrix o materiali ceramici. Tali restrizioni non sono da applicare a frizione e guarnizioni. Gli elementi volventi dei cuscinetti debbono essere realizzati con leghe a base di Ferro o in materiale ceramico. Tutti gli ingranaggi della distribuzione (perni compresi) debbono essere realizzati con leghe a base di Ferro. Gli elementi della pompa del carburante sottoposti ad alta pressione possono essere realizzati in materiale ceramico.
Il basamento (incluso il carter secco della lubrificazione) e le teste dei cilindri debbono essere realizzate con leghe di Alluminio o Ferro, fuse o fucinate. Non sono ammessi materiali compositi e Metal-Matrix. Qualsiasi struttura metallica preposta alla ritenzione del lubrificante o refrigerante entro il motore deve essere realizzata con leghe a base di Alluminio o leghe a base di Magnesio qualora permesso dall’articolo 5.17.8 b (sono consentite leghe a base di Magnesio per componenti statiche che non possono essere cambiate senza incorrere nelle sanzioni citate nell’articolo 5.22 – Replacing power unit parts).
Tutti gli elementi di fissaggio filettati debbono essere realizzati con leghe a base di Cobalto, Ferro o Nichel. Tuttavia, gli elementi di fissaggio la cui funzione primaria sia quella di isolante elettrico possono essere realizzati in materiale ceramico o polimerico. Inoltre, anche gli elementi di fissaggio delle unità di controllo elettroniche possono essere realizzati con leghe a base di Alluminio. I materiali compositi sono espressamente vietati.
Le inserzioni di sedi e guide valvole e altri elementi per cuscinetti possono essere realizzati con preformati metallici. Le zavorre possono essere realizzate con materiali a base di Tungsteno.
SCARICO E TURBO
E veniamo, ora, ai materiali impiegabili per la realizzazione del turbocompressore e del sistema di scarico (articolo 5.18 – Materials and construction–Pressure charging and exhaust systems – e relativi sotto-articoli sino al 5.18.5).
Tutti gli elementi del sistema di scarico – dai collettori sino alla turbina e all’uscita della waste-gate – e a contatto con il flusso principale dei gas di scarico deve essere realizzato con leghe a base di Cobalto, Ferro o Nichel. Guarnizioni e fissaggi sono esenti da tale restrizione.
Le componenti con moto rotatorio o alternato all’interno del compressore (dall’ingresso sino all’uscita di esso) debbono essere realizzate con leghe a base di Alluminio, Titanio o Ferro. Altre componenti statiche che non appartengono al sistema di scarico o al compressore debbono essere realizzate con leghe a base di Alluminio, Ferro o Titanio. Il compressore (inteso come lo “scheletro” esterno, quindi esclusa la girante) deve essere realizzato con leghe a base di Alluminio o Magnesio.
Da quanto appena illustrato, ben si comprende quanto i materiali di costruzione giochino un ruolo determinante: essi non solo concorrono a dare struttura portante al motore (la più resistente e leggera possibile, obiettivi, tuttavia, difficili da conciliare alla perfezione) e a tutti gli elementi ad esso connessi, ma, attraverso un corretto uso dei materiali (nei limiti del Regolamento), prestazioni ed affidabilità possono trarre sicuro e sensibile giovamento.
Come noto, un qualsiasi motore endotermico è sottoposto a considerevoli stress meccanici, pressori e termici. Ecco, dunque, che la ricerca dei materiali applicata ai motori comporta rimarchevoli investimenti; è grazie a tale settore – da quello aerospaziale (paladino tecnologico per eccellenza) a quello motoristico da competizione – che lo sviluppo dei materiali ha avuto e continua ad avere tuttora balzi evolutivi non indifferenti.
Naturalmente, il riserbo attorno ai V6 è e sarà totale per molti anni. Del resto, gli ormai pensionati V8 aspirati di 2400cc hanno mostrato se stessi in modo più approfondito e dettagliato – il merito va alla Toyota – solo a carriera pressoché ultimata.
RIVESTIMNTI E LUBRIFICANTI
È verosimile che i neonati V6 Turbo ereditino dai V8 aspirati numerose peculiarità circa i materiali di costruzione. In particolare, ci riferiamo a basamenti e teste in lega di Alluminio (anche se è possibile realizzare basamenti in lega di Ferro: negli Anni ’80, BMW, Honda e Ferrari sperimentano con estremo successo monoblocchi in ghisa, lega che ben si sposa con le delicate condizioni d’esercizio dei motori turbocompressi), bielle in lega di Titanio, albero motore in acciaio nitrurato, pistoni in lega di Alluminio 2618, valvole al Titanio, guide valvole in CuNi3Si (una particolare lega al Rame-Nichel-Silicio), sedi valvole in Rame-Berillio.
Fondamentali anche i rivestimenti e gli speciali trattamenti cui sono soggetti gli organi del motore. Tutte le componenti principali, specie quelle sottoposte ad elevati stress meccanici e termici, subiscono procedimenti assai specifici allo scopo di ridurre gli attriti ed esaltarne la durata.
Anche in questo campo, la incessante ricerca tecnologica ha prodotto risultati straordinari: rivestimenti al plasma (polimerizzazione al plasma), al DLC (Diamond Like Carbon, particolare trattamento a base di Carbonio ibridizzato sp2 – grafite – e sp3 – diamante, depositato sul materiale madre secondo la procedura Plasma Assisted-Chemical Vapor Deposition), al nitruro di Cromo (velo superficiale con il quale si rivestono gli steli valvole).
I turbocompressori rappresentano il vero tratto che distingue aspirati da, appunto, turbocompressi. Questi organi, necessariamente, debbono essere realizzati in modo assai accurato seguendo le rigide specifiche emesse della FIA. Turbine e compressori – in special modo, le giranti, lavoranti ad alte velocità, temperature e pressioni – richiedono molta attenzione progettuale.
Leghe a base di Alluminio, Ferro, Nichel, Cobalto e Titanio andranno a costituire il materiale madre delle suddette giranti; in questo campo, la statunitense Special Metals Corporation ha prodotto in passato autentici ricercati tecnologici quali il Nimonic (superleghe a base di Nichel) e l’Inconel (superleghe a base di Nichel-Cromo, conosciuto anche coi nomi – tutti marchi registrati – di Chronin, Altemp, Haynes, Nickelvac, Nicrofer). Anche per turbina e compressore, si rivelerà determinante la bontà dei rispettivi rivestimenti superficiali, atti a resistere alle altissime temperature (specie la turbina, investita dai gas di scarico).
In questo discorso, si inserisce di diritto l’importanza dei lubrificanti. Ebbene, se esiste un piccolo universo non sfiorato dagli artigli regolamentari quello è proprio il settore della lubrificazione. Il Regolamento – contrariamente al carburante, normato secondo regole internazionali ben precise – non include alcun Articolo circa la composizione dei liquidi lubrificanti.
Ragion per cui sui lubrificanti impiegati in Formula 1 – ma più in generale, nelle competizioni – il silenzio è totale e impenetrabile.
Ovviamente, un lubrificante racing per motori ad alte prestazioni non presenta caratteristiche chimiche uguali a quelle riscontrabili nei normali lubrificanti in commercio, benché sempre più raffinati e performanti. Pertanto – diffidando dei proclami pubblicitari e promozionali imbellettati da fornitori e Team – un lubrificante racing paleserà composizione, additivi e caratteristiche (viscosità, indice di viscosità, punto di scorrimento, punto di infiammabilità) assai differenti dai prodotti di serie. Un olio di una Formula 1 viene sostituito ad ogni evento, un olio di una vettura di serie deve durare un certo numero di chilometri: condizione, questa (nemmeno tra le più rilevanti…), che da sola implica una diversa additivazione.
Un olio per motori di F1 (sintetico e additivato mediante complessi polimeri), evidentemente, deve resistere ad elevate temperature mantenendo costante la propria viscosità all’aumento della temperatura d’esercizio del motore e di altri organi (fondamentale, a tal proposito, il ruolo dei polimeri) e riducendo i depositi prodotti alle alte temperature. Inoltre, deve tener conto della presenza dei rivestimenti anti-attrito depositati sui materiali madre di ciascun organo del motore.
Il riserbo attorno ai materiali sarà totale. Possiamo solo intuirne la bontà e l’efficacia attraverso altri parametri, ad iniziare dal peso del motore – che andrà parzialmente ad influenzare, nel bene o nel male, il peso minimo complessivo della vettura –, prestazioni, affidabilità, durata. A tal proposito, i motori saranno sottoposti a stress sempre più cospicui, a seguito dell’allungamento della propria vita operativa: appena cinque motori disponibili per ogni pilota nell’arco dell’intera stagione.
Una rognosa e, chissà, determinante penuria.
Scritto da: Paolo Pellegrini