Il titanio e le sue leghe

L’impiego delle leghe di titanio è in continuo aumento, nonostante siano considerate di difficile lavorabilità: una sfida alla tecnologia di produzione!

L’ottimo rapporto resistenza/peso, le elevate proprietà meccaniche alle alte temperature, rendono le leghe di titanio di sicuro interesse per tutti quei settori dove peso e caratteristiche sono fondamentali, con manufatti che possono (o devono) lavorare in condizioni estreme. Alle interessanti proprietà si contrappongono esigenze di lavorazione complesse: rispetto ad altri materiali, come ghisa o acciaio inossidabile, le caratteristiche metallurgiche e le proprietà del titanio hanno una maggiore influenza sull’azione del taglio. Questo significa che occorrono conoscenze applicative specifiche e utensili ottimizzati per la lavorazione di questi materiali, in modo da rendere la lavorazione all’utensile performante ed efficiente. Tornando ai settori di utilizzo, benché siano in espansione, il titanio e le sue leghe sono particolarmente apprezzati ed impiegati in ambito:

• Aerospaziale:
– per motori
– per struttura
– per carrelli di atterraggio
– per piccoli componenti

• Automobilistico:
– per strutture
– leveraggi
– scatole cambio
– connessioni
– turbo

• Navale

• Medicale

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Gli aspetti metallurgici e le caratteristiche

Allo stato puro il titanio ha un colore bianco argenteo e, fra i metalli, è al quarto posto per abbondanza sulla crosta terrestre.

Il titanio presenta due forme allotropiche:

• fase α con reticolo esagonale, stabile fino a circa 882,5°C

• fase β con reticolo CCC, stabile fino alla temperatura di fusione (1670°C)

Le due forme presentano caratteristiche chimico-fisiche differenti, basti considerare i reticoli: il CCC è tipico dei metalli mediamente duttili, come il ferro, mentre l’esagonale è proprio dei metalli meno duttili e quindi scarsamente deformabili. L’aggiunta degli elementi di lega permette comunque di lavorare su caratteristiche e aree di stabilità.

La fase α mantiene elevate caratteristiche meccaniche ad alte temperature grazie al contenuto, spesso elevato, di Al, ma non consente trattamenti termici. La fase β garantisce proprietà meccaniche più elevate e per questo è impiegata in manufatti soggetti a forti sollecitazioni in esercizio.

In generale, le leghe di titanio presentano:

• buona resistenza alla corrosione

• alto rapporto resistenza/peso

• sono leggere, dure, duttili e con bassa densità

• non sono facilmente lavorabili all’utensile, con una difficoltà di lavorazione per asportazione di truciolo paragonabile a quella dell’acciaio inossidabile

In generale, le difficoltà di lavorazione delle leghe di titanio sono legate alle alte temperature che si generano durante il taglio, alla reattività chimica con gli utensili e al modulo elastico relativamente basso del materiale. Il truciolo ha uno spessore piuttosto basso, la pressione di contatto è elevata, la conducibilità termica è bassa, il che provoca una temperatura insolitamente alta sulla punta dell’utensile.

La classificazione

La classificazione del titanio si suddivide in:

• titanio commercialmente puro (apprezzato per le straordinarie caratteristiche di resistenza a corrosione)

• leghe di titanio

Le leghe sono quelle che rivestono maggiore interesse a livello industriale, non sono classificate secondo un sistema universalmente riconosciuto, ma il metodo più “comodo” e diffuso le suddivide secondo le fasi che costituiscono la microstruttura temperatura ambiente. La suddivisione indica quindi:

• Leghe Alpha α, caratterizzate da aggiunte di Al, O e/o N che stabilizzano la fase α

• leghe beta β, caratterizzate da aggiunte di Mb, Fe, V Cr e/o Mn che stabilizzano la fase β

• leghe miste (α+β), in cui è presente una combinazione di entrambe le classi.

Le leghe (α+β) rappresentano la maggioranza delle leghe di titanio utilizzate attualmente, hanno una resistenza medio-alta. Trovano largo impiego nella produzione di laminati, trafilati per produzione di telai, forgiati o getti per motori e parti di aerei. La Ti6Al4V rimane la qualità più comune per uso generale, non solo per il settore aerospaziale ma anche negli altri settori.

Considerando il Ti6Al4V come lega di riferimento, le leghe α sono quelle più facilmente lavorabili all’utensile, mentre le leghe β sono quelle più difficili da lavorare.

La lavorabilità

Le lavorazioni per asportazione di truciolo risultano indispensabili ogni qualvolta siano richieste elevate finiture superficiali e strette tolleranze dimensionali, oltre che, chiaramente, nei casi in cui non siano altrimenti realizzabili particolari geometrie.

Per quanto riguarda il titanio commerciale, la sua lavorazione per asportazione di truciolo è assimilabile a quella dell’acciaio inossidabile austenitico ricotto, mentre le leghe di titanio sono genericamente paragonabili ad acciai più duri, con simile livello di resistenza.

Il truciolo di titanio è sottile e scorre ad alta velocità sulla superficie dell’utensile, con una superficie di contatto ridotta: ne consegue un’alta pressione di contatto che, unitamente alla bassa conducibilità termica, provocano un elevato gradiente di temperatura all’estremità dell’utensile. L’elevata temperatura e l’alta reattività del titanio, sono la causa del rapido danneggiamento per attrito e dell’usura dell’utensile, riducendone la vita utile.

Il relativamente basso modulo elastico, porta il manufatto, specialmente se è snello, a flettersi durante la lavorazione, e di questo va tenuto debito conto.

La bassa conducibilità termica delle leghe di titanio, sfavorendo la dissipazione del calore, comporta un notevole aumento della temperatura, con i conseguenti problemi di microfusione e reattività a caldo, oltre al possibile rinvenimento del pezzo e smussatura dei taglienti.

Dunque, prima di lavorare qualunque componente in titanio, è particolarmente importante pianificare e ottimizzare il processo, in modo da riuscire ad individuare gli utensili da taglio più idonei alla specifica lavorazione, oltre che, in caso di necessità, approfondire eventuali conoscenze applicative.

Un piano che permetta di valutare attentamente il processo che si vuole intraprendere, in modo da arrivare ad una lavorazione sicura ed affidabile, dovrebbe richiedere:

• analisi delle condizioni e delle caratteristiche

• strategia di lavorazione

• tipologia di utensile da utilizzare

• parametri di taglio e utensile

• valutazione del percorso utensile

In tutto ciò, un ruolo strategico è quello della lubrorefrigerazione, considerando sia la scarsa conducibilità termica, che la necessità di tenere pulita la zona di taglio: una cattiva lubrificazione è una delle più comuni cause di rottura prematura degli utensili o della loro usura accelerata, oltre che della compromissione della qualità della lavorazione. E tutto ciò conduce ad un tema fondamentale, su cui ogni azienda manifatturiera sta concentrandosi, che è l’efficienza del processo produttivo e la marginalità ad esso collegata. Il lubrorefrigerante ideale per la lavorazione delle leghe di titanio ha caratteristiche di elevata lubricità, di tipo “polare”, cioè molto “bagnante”, che si “aggrappa” alle superfici metalliche pezzo-utensile: la lubricità, unitamente al potere refrigerante fornito dalla massa del fluido nella zona di taglio, devono massimizzare l’asportazione del calore di lavorazione che si accumula sull’utensile, in modo da evitare fenomeni di grippaggio e rottura.

Il ruolo del sistema sinergico

Per la lavorazione del titanio, i costruttori di utensili propongono soluzioni che spesso derivano dall’esperienza maturata lavorando acciai inox, con caratteristiche tali da obbligare l’utilizzatore ad una serie di test per individuare gli opportuni parametri tecnologici: questa fase di “ottimizzazione” ha un evidente impatto economico, anche non trascurabile. Infatti l’adeguato funzionamento di tutto il “sistema produttivo” è la base per il raggiungimento di adeguate performance, nell’ottica di aumentare efficienza e produttività. Le prestazioni sono raggiunte dal lavoro sinergico in primis fra centro di lavoro e utensile, ma anche considerando il contributo non trascurabile di tutte le attrezzature e device coinvolti: utensili costruiti con filosofie differenti possono originare, sulla stessa macchina e a parità di parametri tecnologici, forze e vibrazioni non attese, compromettendo, in maniera più o meno seria, i risultati della lavorazione.

Per la lavorazione del titanio, i costruttori di utensili propongono soluzioni che spesso derivano dall’esperienza maturata con gli acciai inox.

Considerazioni sulle macchine utensili

La macchina utensile è molto importante e in base al componente e alle operazioni da eseguire deve essere adeguatamente dimensionata per non perdere in stabilità durante la lavorazione.

Le caratteristiche dinamiche devono garantire stabilità e rigidità, in modo da smorzare le vibrazioni, tenendo presente che elevata rigidezza statica significa migliore comportamento a bassa frequenza della macchina. Il concetto di stabilità coinvolge il modo in cui il manufatto è bloccato: un componente saldamente bloccato, minimizza spostamento e vibrazioni.

Due importanti fattori sono la potenza e la coppia:

• durante operazioni di sgrossatura è necessario un mandrino che assicuri coppia e potenza elevate ad un basso numero di giri/min

• in semifinitura-finitura è necessario un mandrino che raggiunga un numero di giri maggiore, dato il diametro dell’utensile da taglio più piccolo e il minore impegno radiale

Per quanto riguarda le tipologie di macchine utensili, quelle verticali sono utilizzate soprattutto nelle prime fasi di lavorazione del manufatto; se i componenti presentano un numero elevato di caratteristiche geometriche diverse, è consigliabile ricorrere a una macchina utensile orizzontale, per favorire l’evacuazione dei trucioli, prevenendone così il loro rimacinamento, e ottenere una durata del tagliente più prevedibile.

Le caratteristiche geometriche del componente, unitamente alla pianificazione del processo, definiscono il requisito di configurazione della macchina utensile che può variare da 3 a 5 assi in simultaneo.

Naturalmente, indipendentemente dalla configurazione, ogni di macchina utensile trae vantaggio da un’efficace adduzione di refrigerante, preferibilmente attraverso il mandrino.

Interfaccia macchina-utensile

La selezione dell’interfaccia della macchina è fondamentale per l’efficienza di taglio del metallo, anche se spesso è sottovalutata in fase di investimento. Deve essere veloce da cambiare e sufficientemente rigida per trasmettere la potenza e la coppia e resistere alle forze di taglio nelle varie applicazioni.

Se le forze di taglio sono superiori alla capacità dell’interfaccia, il processo sarà instabile, con conseguente riduzione dell’efficienza di taglio e dell’utilizzo della macchina (vibrazioni, guasti).

Quando il componente raggiunge i processi di finitura finali, le lunghezze di riferimento dell’utensile aumentano, incrementando la sporgenza dell’utensile. In questi casi, andrebbe considerato l’uso di sistemi modulari e di adattatori preregolati: per un processo di produzione sicuro, è indispensabile che tutti i fattori siano ottimizzati per salvaguardare la qualità del pezzo.

Con neppure trecento anni di storia…

Se materiali come ferro, rame e bronzo sono noti fin dalla preistoria, così non si può dire del titanio, la cui storia è relativamente recente. Si racconta che, intorno al 1790, in Inghilterra, il chierico William Gregor riconobbe la presenza di un nuovo elemento nella ilmenite, un minerale simile all’ematite, presente soprattutto nelle rocce di origine lavica. Nello stesso periodo anche il tedesco M. H. Klaproth scoprì il titanio, individuandone la presenza nel rutilo e, per le caratteristiche meccaniche eccezionali, fino ad allora ritenute irraggiungibili, lo battezzò con il nome dei mitologici titani, i preolimpici figli di Urano (il cielo) e Gea (la terra), considerati le forze primordiali del cosmo. Solo fra la fine dell’800 e l’inizio del ‘900 il titanio poté essere isolato e, nel 1910, Matthew Albert Hunter riuscì a preparare il titanio metallico puro. Fu solo al termine della Seconda Guerra Mondiale che si riuscì a realizzare la prima produzione in quantità industriale, grazie al lussemburghese Kroll che dimostrò come si potessero produrre grandi quantità di titanio mediante un processo di riduzione dal tetracloruro di titanio, attraverso l’ossidazione del magnesio, secondo un processo di ossidoriduzione ancora oggi largamente impiegato. A questo punto l’industria aerospaziale, sempre pronta a valutare le novità, si rese conto della reale portata della scoperta: leghe di titanio, con piccole percentuali di alluminio, ferro, molibdeno e vanadio potevano sostituire gli ampiamente utilizzati acciai inossidabili austenitici, cambiando la storia dell’aviazione. L’uso delle leghe di titanio, per quanto difficile da lavorare all’utensile, permettono un significativo risparmio in peso, pur garantendo ottime prestazioni ad alte e altissime temperature. Grazie allo sviluppo della tecnologia additiva, oggi le leghe di titanio possono essere ulteriormente sfruttate, ampliandone il campo di impiego.

Ti6Al4V: la lega più diffusa

Il largo impiego nel settore aerospaziale ha reso Ti6Al4V la lega di titanio col maggior utilizzo: circa 80% della produzione è utilizzato dall’aerospace, mentre il 5% (dato in crescita) è sfruttato dalla bioingegneria, in particolare per la protesistica, grazie alla elevata biocompatibilità. La restante parte della produzione è fondamentalmente suddivisa fra l’industria automobilistica e la produzione di motori e propulsori.

Ti6Al4V ha un’interessante resistenza a trazione, ottimo rapporto resistenza/peso, buona resistenza a fatica, discreto allungamento, scarsa duttilità e modulo elastico non molto elevato. Questa lega rientra nella classe (α+β), contiene sia elementi stabilizzanti α (alluminio fino al 6%) che stabilizzanti β (Vanadio): mentre la fase α è fragile, la fase β è duttile e tende all’adesione, e, di conseguenza, durante le lavorazioni per asportazione di truciolo, genera saldature a freddo, di cui occorre tenere conto programmando la lavorazione.

I costi di produzione dei manufatti in Ti6Al4V sono piuttosto elevati, perlopiù dovuti alla difficile lavorabilità, legata a quelle stesse caratteristiche meccaniche che rendono questa lega di estremo interesse sia nel campo aerospaziale che automotive.

Una possibile insidia: l’infiammabilità

Uno dei problemi storici della lavorazione per asportazione di truciolo del titanio è la notevole infiammabilità in aria delle particelle fini. Infatti, a causa dell’elevata reattività del titanio con l’ossigeno, è sufficiente una piccola scintilla perché si incendi una miscela di aria e polveri.

Naturalmente è indispensabile evitare che il rischio di incendio, che potrebbe anche portare all’esplosione, motivo per cui si cerca di evitare l’accumulo eccessivo di truciolo, tenendo inoltre sempre presente la reattività del titanio fuso con l’acqua. In caso di contatto con acqua, questa evapora e si innesca una riduzione che può causare una doppia esplosione: la prima per espansione del vapore, la seconda per combustione delle sacche di idrogeno create.

Di conseguenza chi produce o lavora leghe di titanio deve dotarsi di mezzi di estinzione incendi non basati sull’acqua, ma di batterie di estintori a gas inerte (Ar o CO2).

di Daniela Tommasi

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Il titanio e le sue leghe

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