Il primo passo per eccellere nella lavorazione del titanio consiste nel conoscere a fondo le caratteristiche di questo materiale. In origine, il titanio veniva pertanto impiegato soprattutto nell’alta tecnologia, oggi i campi di applicazione si sono ampliati fino a comprendere l’industria aerospaziale e bellica, la galvanotecnica, la tecnologia medica, l’industria automobilistica, le corse sportive e vari tipi di sport estremi.
Il suo utilizzo in queste applicazioni è stato determinato dalle straordinarie caratteristiche del titanio, ossia un’elevata resistenza alla trazione con un peso ridotto e un’ottima resistenza alla corrosione.
Caratteristiche del titanio
Il titanio presenta un peso specifico inferiore del 40% circa rispetto a quello dell’acciaio e superiore di quasi il 70% rispetto a quello dell’alluminio. Il peso più alto, paragonato all’alluminio, viene però compensato dalla resistenza alla trazione e dal limite elastico, molto più elevato rispetto a quello dell’alluminio, e che, a seconda del tipo di lega, può raggiungere quello degli acciai altamente resistenti.
Un’altra importante caratteristica del titanio è che si tratta di un metallo amagnetico, quindi adatto all’utilizzo anche negli ambienti in cui sono presenti le correnti parassite (di Foucault).
Ancora più importanti, in particolare nel campo della tecnologia medica, sono la resistenza alla corrosione e la biocompatibilità. In questo settore, si ricorre sempre più spesso al titanio puro e alle leghe di titanio per realizzare protesi articolari, materiale di fissaggio, impianti dentali o valvole cardiache artificiali.
Caratteristiche del titanio puro e delle leghe di titanio
Titanio puro
Tipico rappresentante
Ti99.5
Il titanio si distingue per l’elevata resistenza a numerosi acidi ossidanti. In tal senso, presenta una resistenza simile a quella dell‘alluminio. Grazie all’elevato punto di fusione, è particolarmente adatto nei campi in cui si richiede un’alta resistenza alle alte temperature e un buon rapporto tra resistenza e peso.
Leghe di titanio α
Tipico rappresentante
TiAl6Zr4Mo2Sn2
Si formano a partire da un elevato tenore di elementi di lega α stabilizzanti, come alluminio o stagno. Esse presentano un reticolo cristallino esagonale che consente alla lega di preservare la propria resistenza alle temperature elevate e allo stesso tempo offrire un’alta resistenza alla corrosione. Le leghe di titanio α sono più adatte alla saldatura che alla lavorazione meccanica. Vengono usate ad esempio per la costruzione di turbine.
Leghe di titanio β
Tipico rappresentante
TiV10Fe2Al3
La formazione di leghe di titanio β è determinata da un’alta concentrazione di β stabilizzanti (come vanadio, molibdeno, silicio o rame). A temperatura ambiente presentano un reticolo cubico a corpo centrato. Se temprate, le leghe di titanio β raggiungono un alto grado di tenacità e una buona resistenza alla corrosione. Si prestano poco alla saldatura, ma permettono una migliore truciolabilità. Sono usate soprattutto negli impianti medici.
Leghe di titanio α e β
Tipico rappresentante
TiAl6V4
Contengono uno o più elementi di lega α stabilizzanti e almeno un elemento β stabilizzante. L’indurimento delle leghe di titanio α e β si ottiene con trattamento termico e successivo invecchiamento. Le proprietà dipendono dagli elementi di lega, dalla temperatura di riscaldo e dalla velocità di raffreddamento. L’esempio più noto è rappresentato dal Ti Al6 V4, il materiale a base di titanio più diffuso, che si trova in commercio anche con la denominazione CP Grade 5.
Principali tipologie di titanio e caratteristiche
| Descrizione | Resistenza min. in N/mm² | Limite elastico 0,2% min. in N/mm² | Caratteristiche | Principali applicazioni |
|---|---|---|---|---|
| Titanio puro grado 1 | 240 | 170 | Buona malleabilità al freddo, termoformabile | Scambiatori di calore, tubi saldati |
| Titanio puro grado 2 | 345 | 275 | Resistenza media | Ingegneria meccanica |
| Titanio puro grado 4 | 550 | 483 | Massima resistenza per il titanio puro, difficoltà nella deformazione a freddo | Impianti dentali |
| Ti6Al4V | 895 | 828 | Elevata resistenza, buona forgiabilità | Aeronautica, ingegneria meccanica |
| Ti6Al4V ELI | 860 | 795 | Basso tenore di ossigeno | Tecnologia medica, applicazioni a basse temperature |
| Ti6Al7Nb | 900 | 800 | Elevata resistenza, buona biocompatibilità | Tecnologia medica |
| Beta C™ | 793 (ST) 1172 (STA) |
759 (ST) 1103 (STA) |
Buona elasticità, termo trattabile | Montature degli occhiali, molle |
| Ti0.15Pd grado 7 | 345 | 275 | Maggiore resistenza alla corrosione | Industria petrolchimica |
| Ti3Al2.5V | 620 | 483 | Migliore malleabilità rispetto a Ti6Al4V con una minor resistenza | Tubi senza saldatura per l’aeronautica |
Lavorazione del titanio: criticità e suggerimenti
Poiché il titanio ha una bassa conducibilità termica, durante la sua lavorazione il calore non viene dissipato in modo ottimale, ma tende ad accumularsi proprio sulla zona dei taglienti dell’utensile. Se non si utilizzano parametri di taglio adeguati e utensili progettati specificamente per la lavorazione del titanio, il rischio è di danneggiare rapidamente l’utensile, fino a comprometterne del tutto la funzionalità.
Va inoltre considerato che esistono oltre 19 gradi di titanio, ciascuno con proprietà differenti. Il più comune è il Grado 5 (Ti-6Al-4V), ampiamente impiegato nei settori aerospaziale e medicale. Ogni grado richiede un approccio specifico, con strategie di lavoro dedicate.
Anche la velocità di taglio è un fattore determinante. Lavorare il titanio a velocità troppo elevate porta a un rapido innalzamento della temperatura e a una drastica riduzione della vita utile dell’utensile. È preferibile quindi adottare velocità più basse, abbinate a strategie di taglio ottimizzate.
Lavorazione del titanio e dell’alluminio a confronto
Alluminio
Poiché l’alluminio dissipa il calore in modo ottimale attraverso i trucioli, il carico per l‘utensile è minimo. Sono possibili avanzamenti e numeri di giri elevati.
Conducibilità termica: 235 W/(m•K)
Volume di truciolatura: 20 l/min
Titanio
La scarsa conducibilità termica del titanio trasmette quasi il 75% del calore di processo ai taglienti degli utensili. Soluzione: coppia elevata con un numero di giri ridotto per diminuire l’elevata usura dei taglienti con un elevato volume di truciolatura/t.
Conducibilità termica: 22 W/(m•K)
Volume di truciolatura: 0,5 l/min
Quali utensili utilizzare per la lavorazione del titanio?
Le frese GARANT Master Titan sono progettate per rispondere alle sfide più complesse nella lavorazione del titanio, uno dei materiali più impegnativi da lavorare. Grazie a 15 utensili specializzati, la linea offre soluzioni mirate per ogni tipologia di applicazione.
Un elemento distintivo della linea è la geometria TPC, che garantisce massima sicurezza di processo, anche nelle lavorazioni automatizzate. Questa geometria favorisce la frammentazione e l’evacuazione ottimale dei trucioli, prevenendo accumuli e surriscaldamenti, portando evidenti vantaggi in termini di affidabilità e qualità del pezzo finito.
Tra i modelli di punta, spicca la fresa per sgrossatura in metallo duro integrale GARANT Master Titan HPC, la quale assicura una durata superiore del 30% rispetto agli utensili concorrenti, contribuendo a ridurre i fermi macchina e ottimizzare i costi operativi.
| Usura del tagliente (µ) | dopo 45 m | dopo 60 m | dopo 75 m | dopo 90 m |
|---|---|---|---|---|
| GARANT Master Titan HPC | 39 | 46 | 60 | 367 |
| Concorrente 1 | 63 | 224 | ||
| Concorrente 2 | 80 | 581 | ||
| Concorrente 3 | 600 |
Riconoscere un utensile GARANT Master Titan è semplicissimo: tutti gli utensili per la lavorazione del titanio sono contraddistinti dal collarino fucsia, un segno distintivo che racchiude qualità, performance e affidabilità GARANT.