Sviluppi dell’alluminio per automotive

Tutti i maggiori produttori mondiali di metallo leggero propongono nuove leghe per impieghi in vetture di grande serie.

di Giuseppe Giordano

L’innovazione nel settore automotive porta allo sviluppo di nuove leghe per tutte le varie parti dell’automobile. Le conoscenze metallurgiche sono alla base dello sviluppo dell’utilizzo di alluminio nei nuovi modelli di auto e sono utilizzate per rispondere alle diverse richieste dei produttori e non solo all’esigenza prioritaria di alleggerimento. Infatti, le caratteristiche delle leghe leggere sono da tempo le scelte più efficaci per un alleggerimento accompagnato da un miglioramento nella formabilità, nella resistenza alla corrosione, ed in grado di rispondere a domande d’attualità quali la richiesta di una garanzia di riciclabilità economicamente sostenibile. La spinta che il settore auto ha sempre dato alla Ricerca e Sviluppo delle leghe d’alluminio è oggi di particolare intensità per l’inderogabile necessità dell’industria dell’auto di ridurre i consumi di carburante e le emissioni. Ogni riduzione del consumo passa , infatti, dallo sviluppo di alcune particolarità peculiari delle leghe d’alluminio. Si è di fronte ad una tendenza naturale nata quasi un secolo fa perché la bassa densità di volume delle leghe leggere ha sempre destato l’interesse nei costruttori di qualsiasi tipo di veicolo; l’alleggerimento sostenibile è poi diventato in questi ultimi anni una stringente necessità resa possibile con l’alluminio dall’innovazione di materiali, processi, tecniche di elaborazione, e dall’adozione di criteri di progettazione a misura delle attitudini delle leghe di alluminio. Le ragioni principali del protagonismo delle leghe leggere nell’evoluzione dell’auto sono schematizzate in Figura 1 [1].
Lo sviluppo dell’utilizzo dell’ alluminio nei nuovi modelli di auto non riguarda solo la carrozzeria ma è ben presente in altre parti dell’ automobile. In una recente pubblicazione incentrata sulla Ricerca e Sviluppo del gruppo Rio Tinto nell’automotive [2] viene presentata una suddivisione delle parti di auto nelle quali vengono proposte leghe innovative in grado di soddisfare specifiche esigenze.
In particolare la classificazione dell’auto proposta è la seguente:
1) Parti componenti il body-in-white quali portiere, cofani, ruote e getti diversi come le teste cilindri e le pompe per i fluidi;
2) Parti strutturali che devono essere realizzate con elementi in grado di resistere a elevate sollecitazioni e contemporaneamente essere n grado di assorbire un’elevata quantità di energia in caso di crash;
3) Materiale perl’impianto elettrico principale, dalla batteria ai cavi con il recente ingresso di applicazioni sui motori di auto elettriche e/o ibride;
4) Materiale per lo scambio termico sia nel circuito di raffreddamento motore sia nel sistema di climatizzazione.

1 – Parti del body-in-white e getti per parti motore, per fluidi e ruote
I pannelli componenti il body-in-white sono il settore più interessante per l’espansione dell’utilizzo di alluminio nelle carrozzerie automobilistiche. In particolare, in questa applicazione possono essere utilizzate diverse composizioni di leghe delle famiglie 5xxx e 6xxx [3]. Le leghe Al-Mg-Si della serie 6xxx sono notoriamente leghe da trattamento termico a media resistenza, impiegate in diversi settori ed in particolare in estrusione. I laminati di leghe 6xxx hanno avuto recentemente un forte sviluppo nel settore automotive per la realizzazione di parti di carrozzeria stampate a caldo ed a freddo. Nelle Tabelle 1A e 2 si riporta la composizione chimica e qualche caratteristica proprietà di alcune tra le più diffuse leghe della serie, utilizzate anche nelle parti motore[7].
I pannelli interni del body-in-white sono in genere realizzati in leghe 5xxx. Di alcune di queste leghe è riportata la composizione chimica nella Tabella 1B. I getti per motore e fluidi, ma anche e sempre più le parti strutturali scatolate nei comparti telaio e trasmissione, sono principalmente ottenuti con tecniche di pressocolata. I getti prodotti con questa tecnologia mostrano una crescita interessante.

2 – Parti strutturali e/o in grado di assorbire energia in caso di crash
Per la produzione di getti con metodi tradizionali [4] o per pressocolata (anche a pressione elevate) sono state sviluppate leghe specifiche in grado di offrire prestazioni diverse da quelle dei prodotti tradizionali [2]. I getti da colata ad alta pressione sono utilizzati come particolari strutturali delle vetture. Le leghe devono garantire il raggiungimento di alti valori di carico di rottura e soprattutto mantenere una elevata elasticità e capacità di assorbimento di energia in caso di crash. Tutti i maggiori produttori di leghe da fonderia primarie hanno esteso la gamma sviluppando composizioni specifiche; Alcoa (oggi Arconic) ha posto sul mercato interessanti casi di innovazione chiamati SupraCast, EZCast, VersaCast ed EverCast, nomi di fantasia che identificano raffinate elaborazioni di combinazioni di alliganti per avere caratteristiche meccaniche elevate e alti livelli di resistenza a fatica. Vi sono produttori che propongono solo leghe speciali per getti soggetti ad elevate sollecitazioni: ad esempio, il produttore tedesco Aluminium Rheinfelden è stato tra i primi ad avvertire la grande importanza nei dettagli della composizione chimica delle nuove leghe leggere per getti, dal controllo delle impurezze alla scelta degli elementi di addizione per influenzare le caratteristiche granulometriche, sino alla ristretta combinazione degli alliganti principali per assicurare le migliori proprietà metallurgiche, tecnologiche e di resistenza meccanica.
Nella Figura 5 si riporta una sezione del catalogo di Aluminium Rheinfelden [7] che mostra il campo di utilizzo finale di alcune tra le molte leghe Al-Si ipoeutettiche ed eutettiche.
Le parti strutturali in leghe leggere non sono composte solo da getti e laminati, ma anche da estrusi, in modo particolare per la realizzazione di space frame delle vetture, “l’ossatura”del veicolo che svolge anche una funzione protettiva dell’abitacolo in caso di incidente. La Figura 6A mostra le caratteristiche meccaniche ottenibili con leghe da estrusione della famiglia 6xxx tra le quali il ruolo maggiore è svolto dalle leghe indicate in Figura 6B [3].

3 – Materiale per l’impianto elettrico
Lo sviluppo dell’auto elettrica, preceduto dalla soluzione parziale dell’auto ibrida, ha inciso sulla scelta dei materiali. Il sub settore dell’auto elettrica è ancora in fase di sperimentazione, ma i vantaggi conseguibili in termini di drastica riduzione del potere inquinante del veicolo spingono le case automobilistiche e le Autorità di Governo ad accelerare i tempi di sperimentazione. Un ruolo importante giocato dall’alluminio nelle auto elettriche e/o ibride si ritrova nella realizzazione di rotori per motori ricavati da getti per lavorazione meccanica [2]. Nel confronto con i tradizionali rotori in rame, i rotori in alluminio che presentano un alleggerimento di circa il 50%, risultano essere più affidabili in quanti soggetti ad uno stress minore nei numerosi passaggi tra propulsione tradizionale ed elettrica che avvengono soprattutto nel ciclo urbano. Anche l’impianto illuminante è protagonista di un cambiamento epocale con l’ingresso della tecnologia LED che vede interessati getti ed estrusi con funzione di dissipatori di calore.
Va anche ricordato che l’alluminio potrebbe essere protagonista nel settore delle batterie metallo-aria. Le auto elettriche di prossima generazione saranno equipaggiate con batterie più efficienti, e dal punto di vista tecnologico vi sono molte innovazioni, ma bisogna capire quale strada seguire per ottenere una sufficiente affidabilità. Le varie case auto sono divise nella scelta; se per la nipponica Toyota e la tedesca BMW la risposta è data dalle batterie litio-aria, c’è chi punta sulle batterie sodio-aria e chi ancora sperimenta la combinazione alluminio-aria. Le batterie alluminio-aria hanno una densità 100 volte superiore a quella delle attuali batterie agli ioni di litio ma, anche in questo caso, il problema sta nella durata della vita. Le batterie sinora testate si esauriscono presto e non possono essere ricaricate, ma dovranno essere sostituite grazie allo sviluppo di una rete di stazioni di servizio simile a quella degli attuali distributori di carburante.

4 – Materiali per lo scambio termico
Nel giro di pochi anni, i sistemi di condizionamento aria sono passati dall’essere costosi optional dei modelli di più alta gamma ad essere dotazione di serie di tutti i modelli. Questo sviluppo ha portato con sé la necessità di ridurre al minimo la dimensione delle batterie di scambio termico e/o aumentarne l’efficienza. E’ stato così messo a punto un nuovo tipo di fin stock non più in laminato nudo ma laccato con vernici in grado di condizionare la bagnabilità delle superfici di scambio. Attraverso tecniche di estrusione ad alta precisione dimensionale, sono stati definiti modi di scambio innovativi quali ad esempio le tecniche con i microtubi. Sotto la spinta della sostituzione del rame, divenuto da anni molto più costoso dell’alluminio, sono stati sviluppati sistemi “tutto alluminio” [8] con l’uso di tubi a microcanali come mostrato nella Figura 11. Il risultato della sostituzione porta ai seguenti vantaggi: riduzione della carica di refrigerante dell’impianto di circa 40%; miglioramento dell’ efficienza energetica – coefficiente di prestazioni fino al 10 % riduzione (oltre il 50%) del consumo di materie prime; riduzione sensibile del costo rispetto agli scambiatori di calore in Al e Cu; miglior riciclabilità dell’impianto completamente in alluminio a fine vita.